音响放大器设计与制作

1、 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计 课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目:音响放大器设计与制作 初始条件：双运算放大器LM358，音频功放芯片TDA2030，电阻若干， 电容若干，二极管若干，喇叭一个等等 要求完成主要任务：利用分离元件或集成电路制作一个音响放大器，可以放大话筒信号或毫伏级音频信号。设计的主要指标：（1） a输出功率：0.5W； b负载阻抗：4欧姆； c频率响应：fLfH=50Hz20KHz； d 输入阻抗：>20K欧姆； e整机电压增益： >50dB；（2）电路要求有独立的前置放大级（放大话筒信号）;（3）电路要求有独立的功率放

2、大级。时间安排: 1、十六周布置课程设计任务、选题；讲解课设具体实施计划与课程设计报告格试的要求；课设答疑事项。 2、十九周提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日2 第 页 目 录第1章 .绪论.4 1.1引言.4 1.2音频功率放大器概述.4第二章.设计方案选择.5 2.1方案的选取 .5 2.1.1放大电路设计.5 2.1.2音量控制器的设计.6 2.1.3音频放大电路的设计.6 2.1.4输入稳压源的选取.6 2.1.5混响部分的处理.7 2.2主要元件介绍.7 2.2.1 LM324的介绍.7 2.2.2 TDA203

3、0的介绍.9第三章.设计与安装 .103.1 整体框图 . .103.2 话音放大器与混合前置放大器的设计 .11 3.3 功率放大电路的设计 .12第四章.仿真 .13 4.1 单独话放性能测试.134.2 单独功放性能测试.154.3 整体电路的性能测试 .164.4 仿真中的问题及解决方法 .18第五章.安装与制作 .18 5.1焊接技术 . .18 5.1.1焊接注意事项 . .18 5.1.2电路板安装及焊接.19 5.1.3电路板和元器件检查.19 5.2调试 .20第六章.心得体会.21原件清单.22参考文献.22 第一章. 绪论1.1引言 伴随着科学技术的迅速发展，人们生活水平

4、的不断提高，对音频功率放大器的要求越来越高。音频是多媒体中的一种重要媒体。人能够听见的音频信号的频率范围大约是 60Hz-20kHz 其中语音大约分布在300Hz-4kHz之内，而音乐和其他自然声响是全范围分布的。 如何通过分析仪器让音频功放达到更高的要求是许多人为之努力的永恒的课题，声音经过模拟设备记录或再生，成为模拟音频，再经数字化成数字音频，音频分析就是以数字音频信号为分析对象以数字信号处理的各种理论为分析手段，提取信号在时域，频域内一系列特性的过程。 本文基于所学知识模拟制作音响功率放大器，践实所学知识掌握程度，并通过对所学知识来制造和改进相关产品，实际动手的过程中遇见了很多问题，但是

5、在老师的指导和帮助下解决相应的问题。同时在与同组人的讨论学习过程中加强可团队意识的培养，加强了相互间协调合作的能力，从而高质、高效的完成本项任务。1.2 音频功率放大器概述 音响技术的发展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。1906年美国的德福雷斯特发明了真空三极管，开创了揉电声技术的先河。1927年贝尔实验室发明了负反馈NFB（Negative feedback）技术后，使音响技术的发展进入了一个崭新的时代，比较有代表性的如“威廉逊”放大器，而1947年威廉逊先生在一篇设计Hi-Fi（High Fidelity）放大器的文章中介绍了一种成功运用负反馈技术，成为了Hi-Fi

6、史上一个重要的里程碑。 60年代由于晶体管的出现，使功率放大器步入了一个更为广阔的天地。晶体管放大器细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点，各种电路也相应产生，如：“OTL （Output Transformer Less）” 无输出放大器、“OCL（Output Capacitor Less）”放大器等。直至70年代，晶体管放大技术的应用已相当成熟，各种新型电路不断出现，如：较成功地解决了负反馈电路的瞬态失真和高频相位反转问题的无负反馈放大电路；成功地将甲、乙放大器的优点结合在一起的超甲类放大电路；具有输出功率大、失真小的电流倾注式放大电路等等。从而使晶体管放大器成为音响技术

7、发展中的主流。在60年代初，美国首先推出音响技术中的新成员集成电路，到了70年代初，集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等特点，逐步被音响界所认识。发展至今，厚膜音响集成电路、运算放大集成电路被广泛用于音响电路。 第二章. 设计方案选取2.1方案的选择2.1.1 放大电路设计 方案一：采用uA741运算放大器设计电路，uA741通用高增益运算通用放大器，早些年最常用的运放之一。应用非常广泛，双列直插8脚或圆筒8脚封装。工做电压±22V，差分电压±30V，输入电压±18V，允许功耗500mW。 方案二：采用LM324通用四运算放大器，双列直插8脚封装，它内部包含四组

8、形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端，Vi-（-）为反相输入端，表示运放，输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。 方案选取：uA741是通用的放大器，性能不是很好，满足一般要求，而LM324四运算放大器具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，本设计放大倍数不高，LM324能达到f=10KHz的频响要求，故选用LM324四运放大器。2.1.2 音量控制器的设计 由于

9、话筒信号可以相应的进行大小调节即在输入的时候就可调节，因此就不再音量调节部分。 2.1.3音频放大电路设计 方案一：采用SL34集成功率放大器，SL34是低电压集成音频功效，功耗低、失真小，工作电压为6V，8负载时，输出功率在300mW以上。主要用于收音机记其他功放。 方案二：LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机中。LM386电源电压4-12V，音频功率0.5W。LM386音响功放是由NSC制造的，它的电源电压范围非常宽泛，最高可使用到15V，消耗静态电流为4mA，当电源电压为12V时，在在8欧姆

10、的负载情况下，可提供几百mW的功率。他的典型输入阻抗为50K。 方案三：TDA2030芯片外接元件非常少，输出功率大，Po=18W(RL=4)，采用超小型封装（TO-220）,可提高组装密度，开机冲击极小，内含各种保护电路，因此工作安全可靠。主要保护电路有：短路保护、热保护、地线偶然开路、电源极性反接（Vsmax=12V）以及负载泄放电压反冲等。DA2030A能在最低±6V最高±22V的电压下工作在±19V、8阻抗时能够输出16W的有效功率，THD0.1%。无疑，用它来做电脑有源音箱的功率放大部分或小型功放再合适不过了。方案选取：本课题要求音响放大器的输入功率在5

11、W以上，然而LM386达不到这种功率，故选用TDA2030.频率响应最低到最高为50Hz到20kHz；二点电源供电音频功率放大器已经达到所需要的指标。并且他较少的元件组成单声道音频放大电路、装置调整方便、性能指标好等特点，而BTL电路虽然也具有以上的功能，但制作复杂，不利于维修。 2.1.4输入稳压源的选取 由于音响放大器的设计主要是运算放大部分还有音频放大部分，所以可以不做电源，用其他同学设计做好的直流稳压源或者用直接买的直流稳压电源就可以了。2.1.5混响部分的处理由于资金还有时间等因素，发挥部分的混响部分就不做了，对输出结果没有多大的影响。所以就省去不做。 图2-1 电路整体框图由于实际

12、问题，所以最后实施的电路框图如下： 图2-2 音频功率放大器组成框图2.2 主要元件介绍 2.2.1 LM324的介绍 LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入

13、端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见下图。 图2-3 LM324引脚图 图2-4 LM324实物图 LM324的特点：1.短跑保护输出。2.真差动输入级。3.可单电源工作：3V-32V。4.低偏置电流：最大100nA。5.每封装含四个运算放大器。6.具有内部补偿的功能。7.共模范围扩展到负电源。 8.行业标准的引脚排列。9.输入端具有静电保护功能。LM324的内部结构如图2-5： 典型原理图 偏置电路对 （所示为电路的四分之一） 输出 四个放大器共用 图2-5 LM324内部结构图 LM3

14、24系列采用两个内部补偿，二级运算放大器，每个运放的第一级由带输入缓冲晶体管Q21和Q17的差动输入器件Q20和Q18，以及差动到单端转换器Q3和Q4。第一级不仅完成第一级增益的功能，而且要完成电平移动和减小跨导的功能。由于跨导的减小，仅需使用一个较小的补偿电容（仅0.5pF），从而就可以减小芯片尺寸，跨导的减小可由将Q20和Q18的极电集分离而实现。该输入级的另一特征是，在单电源工作模式下，输入共模范围包含负输入和地，无论是输入器件或者差动到单端变换器都不会饱和，第二级含标准电流源负载放大器级。2.2.2 TDA2030的介绍 TDA2030A是德律风根生产的音频功放电路，采用V型5 脚单列

15、直插式塑料封装结构。如图1所示，按引脚的形状引可分为H型和V型。该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，具有体积小、输出功率大、失真小等特点。并具有内部保护电路。意大利SGS公司、美国RCA公司、日本日立公司、NEC公司等均有同类产品生产，虽然其内部电路略有差异，但引出脚位置及功能均相同，可以互换。电路特点：1.外接元件非常少。2.输出功率大，Po=18W(RL=4)。3.采用超小型封装（TO-220）,可提高组装密度。 4.开机冲击极小。5.内含各种保护电路，主要保护电路有：短路保护、热保护、地线偶然开路、电源极性反接（Vsmax=12V）以及负载泄放电压反冲等。6.TDA2

16、030A能在最低±6V最高±22V的电压下工作在±19V、8阻抗时能够输出16W的有效功率，THD0.1%。无疑，用它来做电脑有源音箱的功率放大部分或小型功放再合适不过了。TDA2030引脚情况如下图:1脚是正相输入端2脚是反向输入端3脚是负电源输入端4脚是功率输出端5脚是正电源输入端。 图2-6 TDA2030引脚图 第三章 设计与安装3.1 整体框图 图3-1 电路整体框图3.2 话音放大器的设计 由于放音机的输出信号一般只有5mV左右，而输出阻抗达到20k(亦有低输出阻抗的话筒如20，200等)，所以话音放大器的作用是不失真地放大声音信号(最高频率达到10k

17、Hz)。其输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗。图4-3所示电路由话音放大器与图4-4混合前置放大器两级电路组成，其中U1A组成同相放大器，具有很高的输入阻抗，能与高阻话筒配接作为话音放大器电路，其放大倍数A=1+R5/R1=20。 U2A作反相放大器。电路中电容C1、C3是用作噪声去耦合的，可以用小体积大容量的钽电容或普通电解电容，一般选为10F。耦合电容的作用是阻止前后两级电路的信号相互干扰影响，并且不会影响信号的传递 。 图3-2 话音放大器电路 3.3 功率放大电路的设计 功率放大器，简称“功放”。很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功

18、率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。当负载一定时，希望其输出的功率尽可能大，其输出信号的非线性失真尽可能地小，效率尽可能高，功放的常见电路有OTL(Output Transformerless)电路和OCL(Output Capacitorless)电路。有用集成运算放大器和晶体管组成的功放，也有专用集成电路功放。TDA2030A是SGS公司生产的单声道功放IC，该IC体积小巧，输出功率大，最大功率到达40W左右；并具有静态电流小（50mA以下），动态电流大（能承受3.5A的电流）；负载能力

19、强，既可带动4-16的扬声器，某些场合又可带动2甚至1.6的低阻负载；音色中规中举，无明显个性，特别适合制作输出功率中等的高保真功放等诸多优点。 图3-3 功放设计电路电路最关键的为话放和功放部分。由上述两种电路得整个电路的电路图及各元件参数如图3-4： 图3-4 整体电路图 第四章 仿真 首先在仿真软件中按照原理图所示的电路图在仿真软件中连接出电路图，连接好以后打开仿真按钮的开管看是不是有问题，有问题进行更改，没有问题就进行如下仿真操作。 4.1单独话放性能测试 单独话放性能测试的电路图和波形图分别为图4-1、图4-2，仿真结果为单独话放放大性能接近20倍。 图4-1 单独话放性能测试电路图

20、 图4-2 单独话放性能测试波形图4.2 单独功放性能测试单独功放性能测试的电路图和波形图分别如图4-3、图4-4 图4-3 单独功放性能测试电路图 图4-4 单独功放性能测试波形图4.3整体电路的仿真测试 当输入信号为20Khz时，输入电压的峰峰值为20mV,输出电压的峰峰值为7.73V，则总的电压增益为7730/20=386>316,满足所需要的衰减度。仿真中万用表的示数如下图4-5和图4-6. 图4-5 输入电压 图4-6 输出电压由Av=Vo/Vi可得Av=383>316，满足衰减要求，此时输入输出波形如图4-7 图4-7 输入信号为20KHZ时的电路波形图 当输入为50h

21、z时，输入电压的峰峰值为19.9mV,输出电压的峰峰值为9.77V，则总的电压增益为9770/19.9=491>316,满足所需要的衰减度。由仿真中的万用表分别测得的输入和输出电压为 图4-8 输入电压 图4-9 输出电压由Av=Vo/Vi可得Av=487>316，满足衰减要求，此时输入和输出的波形 图4-10 输入信号为50HZ时输出波形图4.4仿真中的问题及解决方法 实验要求的频率响应为fLfH=50Hz20KHz，整机电压增益 >50dB。所以在输入信号的频率在50Hz20KHz之间的时候要求电压放大倍数至少为316倍。最开始在进行仿真的时候，单独前置放大级的放大倍数大

22、约等于180倍，但是加上后面的功放电路之后整体电压放大倍数只有280倍左右，后面功放的放大倍数约为30倍。与理论值相符。但是前级放大就只有8倍左右。因为最开始的时候在前置放大级和功放之间加了一个电位器用于调节功放从前置放大级索取的电压，这样使得R5的等效值增大了，减小了放大倍数。后来去掉电位器，直接将前置放大级的输出信号作为功放的输入，得到了完整的波形，并且在输入频率为50Hz20KHz时，得到的波形良好，说明在50Hz20KHz有良好的频率响应。并且得到的放大倍数也在316倍以上，达到了要求的衰减度，说明方案是可行的。 第五章 安装与制作安装工艺是制作工程中最关键的一步，它承接上面的设计性工

23、作和下面的调试工作。为此我们做了大量的学习和练习，具体理论学习知识如下：5.1焊接技术装接电路的主要工作是在电路板上焊接电子元器件,焊接质量的好坏直接影响着电路的性能,焊接质量主要取决于四个条件:焊接工具,焊剂,焊料,焊接技术.5.1.1焊接注意事项 为保证焊接质量,要求焊点光亮,圆滑,无虚焊. a.元件引线要刮净,最好先挂锡再焊.因为引线表面经常有氧化物或油渍,不易"吃锡",焊接起来困难,即使勉强焊上也容易形成虚焊,因而必须将氧化物或油渍刮除干净. b.焊接温度和时间要掌握好.温度不够,焊锡流动性差,很容易凝固;温度过高,焊锡流淌,焊点又不易存锡,两种情况都不易焊好.一般

24、焊接时让烙铁头的温度高于焊锡熔点,烙铁头与焊点接触时间以使焊点锡光亮,圆滑为宜.如焊点不亮或形成"豆腐渣"状,说明温度不够,焊接时间太短.这种情况由于焊剂没能充分挥发,很容易形成虚焊.此时需要增加焊接温度,只要将烙铁头在焊点上多停留些时间即可,不必加压力或来回移动. c.扶稳不晃,上锡适量.焊接时,被焊物体必须扶稳扶牢,特别在焊锡凝固过程中不能晃动被焊元器件,否则很容易造成虚焊.烙铁沾锡多少要根据焊点大小来决定,最好所沾锡量能包住被焊物.如果一次上锡不够,可以下次填补,但要注意再次填补焊锡时,一定要待上次的锡一同熔化后方可移开烙铁头,使焊点熔结为一体. d.电子电路常有一些

25、基本单元组成,电路重复性和规律性较强.焊接时,一般先将电阻,电容,二极管等元件引线弯曲成所需形状,依次插入焊孔,并设法使元件排列整齐,然后统一焊接.检查焊点后剪去过长引线,最后焊接三极管,集成电路.器件的焊接时间一般要短一些,引脚也不宜剪得太短,防止焊接时烫坏管子.初学者可用镊子夹住管脚进行焊接. e.焊接结束,首先检查电路有无漏焊,错焊,虚焊等问题.检查时可用尖嘴钳或镊子将每一个元件拉一拉,看有无松动,特别是要察看三极管管脚是否焊牢,如果发现有松动现象,要重新焊接. 5.1.2电路板安装与焊接 印制电路板的装焊在整个电子产品制造中处于核心的地位，可以说一个整机产品的“精华”部分都装在印制板上

26、，其质量对整机产品的影响是不言而喻的。尽管在现代生产中印制板的装焊已经日臻完善，实现了自动化，但在产品研制，维修领域主要还是手工操作；况且手工操作经验也是自动化获得成功的基础。 5.1.3电路板和元器件检查 装配前应对印制板和元器件进行检查， 内容主要包括：.印制板：图形，孔位及孔径是否符合图纸，有无断线，缺孔等，表面处理是否合格，有无污染或变质。.元器件：品种，规格及外封装是否与图纸吻合，元器件引线有无氧化，锈蚀对于要求较高的产品，还应注意操作时的条件，如手汗影响锡焊性能，腐蚀印制板，使用的工具如改锥，钳子碰上印制板会划伤铜箔，橡胶板中的硫化物会使金属变质。 5.2调试 实践表明，新安装完成

27、的电路板，往往难于达到预期的效果。这是因为人们在设计时，不可能周全地考虑到元件值的误差、器件参数的分散性等各种复杂的客观因素，此外，电路板安装中仍有可能存在没有查出的错误。通过电路板的测试和调整，可发现和纠正设计方案的不足，并查出电路安装中的错误，然后采取措施加以改进和纠正，就可使之达到预定的技术要求。功率放大器测试。（1）通电观察。接通电源后，先不要急于测试，首先观察功放电路是否有冒烟、发烫等现象。若有，应立即切断电源，重新检查电路，排除故障。（2）静态工作点的调试。将功率放大器的输入信号接地，测量输出端对地的点位应为0V左右，电源提供的静电电流一般为几十mA左右。若不符合要求，应仔细检查外

28、围元件记接线是否有误；若无误，可考虑更换集成功放器件。（3）动态测试。在功率放大器的输出端接额定负载电阻RL条件下，功率放大器输入端加入频率等于1KHz的正弦波信号，调节输入信号大小，观察输出信号的波形观察输出信号的波形。若输出波形变粗或带有毛刺，则说明电路发生自激振荡，应尝试改变外接电路的分布参数，直至自激振荡消除。然后逐渐增大输入电压，观察测量输出电压的失真及幅值，计算输出最大不失真功率。改变输入信号的频率，测量功率放大器在额定输出功率下的频带宽度是否满足设计要求。如图5-1为制作好的音响放大器的实物图。 图5-1 音响放大器实物图 第六章 心得体会 对于课程设计，虽然以前偶尔听学姐学长说

29、起过，但我并不清楚具体是什么。所以在老师给定课题的那一刻,我对这个陌生的词有了一定的了解。这次课程设计我做的是音响放大器，音响是我平时生活中很熟悉的东西了，虽然平时用的多，但现在突然让我做一个出来，我还真一时之间有点束手无策。但凡事情的开头总是艰难的。通过几天毫无头绪四处查资料的日子后，我渐渐对音响放大器的构造有了些了解。在学姐学长的指点和大量资料的帮助下，我终于设计出了原理电路图。通过此次电子技术大型试验的设计以及调试，掌握了音响放大器的基本设计方法和设计原理，对几种基本电路有了更深刻的认识，并且掌握了一定的多级放大电路设计和调试的经验。但是，同时也发现自己的许多不足之处。了现自己在将书本知识转化为实践能力的水平还很薄弱，在遇到问题时耐心不足，