电子技术课程设计-OTL功率放大器

1、课程设计报告课程名称： 电 子 技 术 课 程 设 计设计题目： OTL功率放大器 指导教师评语： 指导教师签名： 年 月 日成绩评定项 目权重成 绩1、设计过程中出勤、学习态度等方面0.22、课程设计质量与答辩0.53、设计报告书写及图纸规范程度0.3总 成 绩 教研室审核意见：教研室主任签字： 年 月 日教学院（系）审核意见： 主任签字： 年 月 日摘 要功率放大器的作用是给音响放大器的负载RL（扬声器）提供一定的输出功率。当负载一定时，希望输出的功率尽可能大，输出的信号的非线形失真尽可能的小，效率尽可能的高。功率放大器的常见电路形式有OTL电路和OCL电路。有用继承运算放大器和晶体管组成

2、的功率放大器，也有专集成电路功率放大器。本文设计的是一个 OTL 功率放大器，该放大器采用TDA2030音频放大器芯片，TDA2030音频放大器电路是最常用到的音频功率放大电路，TDA2030是高保真集成功率放大器芯片,输出功率大于10W,频率响应为101400Hz,输出电流峰值最大可达3.5A。其内部电路包含输入级、中间级和输出级,且有短路保护和过热保护,可确保电路工作安全可靠。采用正输出单电源供电。文中介绍了该放大器和运用LM317三端可调正稳压器集成电路组成的可调稳压电源的具体设计。其次本次实物产品采用PCB印制电路板制作（单面板）使其性能良好满足设计要求和外表美观。关键词：LM317三

3、端可调正稳压器集成单电源供电电路；OTL功率放大电路；TDA2030音频放大器；交越失真；无输出耦合电容；输出功率；反馈网络；三端可调集成稳压电路；PCB单面板。目 录 TOC o 1-3 h z u 设计要求 PAGEREF _Toc232915521 h 11、方案论证与对比 PAGEREF _Toc232915522 h 11.1、总体方案设计 PAGEREF _Toc232915523 h 11.2方案一 PAGEREF _Toc232915524 h 21.2 方案二 PAGEREF _Toc232915525 h 31.3 两种方案的对比 PAGEREF _Toc232915526

4、 h 42、电源部分的设计 PAGEREF _Toc232915527 h 52.1总体方案设计 PAGEREF _Toc232915528 h 52.2方案论证与对比 PAGEREF _Toc232915529 h 52.2.1方案一 PAGEREF _Toc232915530 h 52.2.2方案二 PAGEREF _Toc232915531 h 62.2.3两种方案的对比 PAGEREF _Toc232915532 h 73.单元电路设计及元器件选择和电路参数计算 PAGEREF _Toc232915533 h 83.1 单元电路设计与原理说明 PAGEREF _Toc232915534

5、 h 83.2 电路参数计算 PAGEREF _Toc232915535 h 93.3功率的计算 PAGEREF _Toc232915536 h 93.4电源部分 PAGEREF _Toc232915537 h 104.2 绘制电路原理图 PAGEREF _Toc232915538 h 114.3 对实物电路进行调试并记录数据 PAGEREF _Toc232915539 h 114.3.1电路调整与测试 PAGEREF _Toc232915540 h 114.3.2通电观察 PAGEREF _Toc232915541 h 144.3.3 OTL功放部分的检测 PAGEREF _Toc23291

6、5542 h 154.4 数据分析及误差分析 PAGEREF _Toc232915543 h 155. 设计体会与总结 PAGEREF _Toc232915544 h 156、元器件及仪器设备明细表 PAGEREF _Toc232915545 h 167、参考文献 PAGEREF _Toc232915546 h 178 致 谢 PAGEREF _Toc232915547 h 189 附录 PAGEREF _Toc232915548 h 18附录A 相关电路图 PAGEREF _Toc232915549 h 18附录B：相关芯片资料 PAGEREF _Toc232915550 h 20OTL功率

7、放大器设计设计要求额定输出功率P0=10W负载阻抗RL=8欧采用全部或部分分立元件电路设计一种OTL音频功率放大器。 失真度=3设计放大器所需的直流稳压电源。1、方案论证与对比1.1、总体方案设计设计思路功率放大器的作用是给负载RL提供一定的输出功率，当RL一定时，希望输出功率尽可能大，输出信号的非线性失真可能小，且效率尽可能高。由于OTL电路采用直接耦合方式，为了保证电路工作稳定，必须采取有效措施抑制零点漂移。为了获得足够大的输出功率驱动负载工作，故需要有足够高的电压放大倍数。因此，性能良好的OTL功率放大器应由输入级、推动级和输出级等部分组成。OTL功放各级的作用和电路结构特征输入级：主要

8、作用是抑制零点漂移，保证电路工作稳定，同时对前级（音调控制级）送来的信号作低失真，低噪声放大。为此，采用带恒流源的，由复合管组成的差动放大电路，且设置的静态偏置电流较小。推动级的作用是获得足够高的电压放大倍数，以及为输出级提供足够大的驱动电流，为此，可采用带集电极有源负载的共射放大电路，其静态偏听偏信置电流比输入级要大。输出级的主要作用是级负载提供足够大的输出信号功率，可采有由复合管构成的甲乙灯互补对称功放或准互补功放电路。此外，还应考虑为稳定静态工作点须设置直流负反馈电路，为稳定电压放大倍数和改善电路性能须设置交流负反馈电路，以及过流保护电路等。电路设计时，各级应设置合适的静态工作点，在组装

9、完毕后须进行静态和动态测试，在小型不失真的情况下，使输出功率最大。动态测试时，要注意消振和接好保险丝，以防损坏元器件。1.2方案一完全分立元件阻容耦合多级放大器设计 图11 方案一结构框图图12 方案一原理图简要原理分析当输入信号处于正半周期时，VT3导通，VT2截止，于是VT3以射极输出的形式将信号传递给负载，同时向CO充电，因为CO电容量大，其上电压基本不变，维持在1/2VCC；当输入信号处于负半周时，VT2导通，VT3截止，已充电的C0充当VT2的电源，同时放电，VT2也以射极输出形式将信号传输给负载RL，这样在RL上得到了完整的输出波形。1.2 方案二采用集成运算放大器设计基本放大电路

10、输入级中间极输出级输出调节TDA2030是高保真集成功率放大器短路保护过热保护负载扬声器 图13 方案二结构框图图14 方案二原理图简要原理分析：电路为音频功率放大器原理图,其中TDA2030是高保真集成功率放大器芯片,输出功率大于10W,频率响应为101400Hz,输出电流峰值最大可达3.5A。其内部电路包含输入级、中间级和输出级,且有短路保护和过热保护,可确保电路工作安全可靠。TDA2030使用方便、外围所需元器少,一般不需要调试即可成功。 RP是音量调节电位器,C1是输入耦合电容,R1是TDA2030同相输入端偏置电阻。 R4、R5决定了该电路交流负反馈的强弱及闭环增益。该电路闭环增益为

11、(R4+R5)/R5=(0.68+22)/0.68=33.3倍,C2起隔直流作用,以使电路直流为100%负反馈。静态工作点稳定性好。 C2、C4为电源高频旁路电容,防止电路产生自激振荡。R6用以在电路接有感性负载扬声器时,保证高频稳定性。VD1、VD2是保护二极管,防止输出电压峰值损坏集成块TDA2030。 1.3 两种方案的对比两方案的对比： 相同点：OTL功率放大电路都是由输入级、推动级和输出级等部分组成 不同点：方案一中采用分立元件进行设计 方案二中采用一片TDA2030进行设计我们选择方案二理由如下：用集成运算放大器放大信号的主要优点电路设计简化，组装高度方便，只需适当选配外接元件，便

12、可实现输入、输出的各种放大关系。由于运放的开环增益都很高，用其构成的放大电路一般工作在深度负反馈的闭环状态，则性能稳定，非线性失真小。运放的输入享受搞高，失调和漂移都很小，故很适合于各种微弱的信号放大。又因其具有很高的共模抑制比，对温度的变化、电源的波动以及其他外界干扰都有 很强的抑制能力。由运放构成的放大单元功耗低、体积小、寿命长，使整机使用的元器件数大大减少，成本降低，工作可靠性大为提高。2、电源部分的设计2.1总体方案设计任何的电子产品都必须有电源供应部分，以便把市电转换成电子线路所需的直流电压，驱动电子线路工作。 图15 电源电路框图2.2方案论证与对比2.2.1方案一图16 电源电路

13、原理图简要原理分析：本次设计中，电源供应包括变压器，整流器，滤波电容，并且加入了稳压电路。当220V交流电进入电路时，首先经过变压器，把220V电压降到几十伏，并且通过滤波电容，将直流电压降到电路所需的工作电压。滤波电容的功能不仅是滤除交流纹波而已，它还具有储存电能的功效。通过稳压电路得到比较稳定的输出直流电压。：2.2.2方案二图17 电源电路原理图本次设计中，电源供应包括变压器，整流器，滤波电容，并且加入了稳压电路（LM317三端可调稳压器）。当220V交流电进入放大器时，首先经过变压器，把220V电压降到几十伏，并且通过滤波电容，将直流电压降到电路所需的工作电压。滤波电容的功能不仅是滤除

14、交流纹波而已，它还具有储存电能的功效。D1和D2的作用：当输出短路时，C2上的电压被D2泄放掉，从而达到反偏保护的目的。此外，当输入短路时，C3等元件上储存的电压会通过D1泄放，用于防止内部调整管反偏。C2用以提高IC的纹波掏能力。C3用以改善IC的瞬态响应。C1用于输入整流滤波。在大电流输出时，IC会因温升过高而截止，必须加适当面积的散热器，R1应选用线性的电位器。因此，设计中电压放大级采用了稳压电路，使得电压稳压输出。2.2.3两种方案的对比两方案的对比： 相同点：电源供应均包括变压器，整流器，滤波电容，并且加入了稳压电路 不同点： 稳压电路不相同我们选择方案二理如下：电路设计简化，组装高

15、度方便，只需适当选配外接元件，便可实现输入、输出的各种放大关系。2)LM317内部包含了输出短路保护，过流、过热保护电路，且性能稳定。3）功耗低、体积小、寿命长，使整机使用的元器件数大大减少，成本降低，工作可靠性大为提高。3.单元电路设计及元器件选择和电路参数计算3.1 单元电路设计与原理说明信号输入级集成中间级负载输出级电源部分集成中间级TDA2030 集成电路输入级: 输入级的作用是抑制零点飘移，保证电路工作稳定，同时对前级送来的信号作底失真放大。 驱动级: 驱动级作用是获得足够高的电压放大倍数，以及为输出级提供足够大的驱动电流 输出级: 输出级的作用是给负载提供足够大的输出信号功率 TD

16、A2030是高保真集成功率放大器芯片,输出功率大于10W,频率响应为101400Hz,输出电流峰值最大可达3.5A。其内部电路包含输入级、中间级和输出级,且有短路保护和过热保护,可确保电路工作安全可靠。3.2 电路参数计算RP是音量调节电位器,考虑到实际情况本设计RP=4.7 K,C1是输入耦合电容,C1=1uf,R1是TDA2030同相输入端偏置电阻,R2,R3为反馈网络电阻，R1=R2=R3=100K.R4、R5决定了该电路交流负反馈的强弱及闭环增益。该电路闭环增益为(R4+R5)/R5=(0.68+22)/0.68=33.3倍,C3起隔直流作用,以使电路直流为100%负反馈。静态工作点稳

17、定性好。 C2、C4为电源高频旁路电容,防止电路产生自激振荡。R6用以在电路接有感性负载扬声器时,保证稳定性。VD1、VD2是保护二极管,防止输出电压峰值损坏集成块TDA2030,负载RL=8。. 3.3功率的计算1、 计算输出功率Po输出功率用输出电压有效值V0和输出电流I0的乘积来表示。设输出电压的幅值为Vom，则因为Iom=Vom/RL，所以.当输入信号足够大，使Vim=Vom= Vcem= VCC- VCES VCC和Iom=Icm时，可获得最大的输出功率 由上述对Po的讨论可知，要提供放大器的输出功率，可以增大电源电压VCC或降低负载阻抗RL。附：TDA2030极限参数参量符号参数数

18、值单位VS最大供电电压22VVi输入VSVi差分输入15VIO最大输出电流3.5APTOT最大功耗20WTSTG ，TJ存储和结点的温度-40 to +150 2、效率3.4电源部分考虑到TDA2030A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%。所以在设计直流稳压电源时应该考虑到这些相因素。LM317工作原理：LM317的输入最同电压为30多伏，输出电压1.532V.电流1.5A.不过在用的时候要注意功耗问题.注意散热问题。LM317有三个引脚.一个输入一个输出一个电压调节。输入引脚输入正电压,输出引脚接负载, 电压调节引脚一个引脚接电阻(2

19、00左右)在输出引脚,另一个接可调电阻(几K)接于地.输入和输出引脚对地要接滤波电容.输出电压计算：Uo=(1+R2/R1)*1.25。由于现在电位器的质量不太好，如果发生接触不良的现象，则输出电压变成了最高电压，极其容易损坏正在使用低电压供电的负载，其实只要增加一个三极管进行倒相即可解决这个问题，当电位器R2接触不良开路，输出电压升高并通过R1和R2加到三极管9014的集电极和基极，触发三极管导通，从而拉低LM317的调整端ADJ电压（理想情况下可以认为ADJ直接接地了），此时输出端只输出最低电压1.25V,有效地保护了用电负载。4 电路调试4.1仿真调试如下图基本满足要求4.2 绘制电路原

20、理图4.3 对实物电路进行调试并记录数据4.3.1电路调整与测试实践证明，新安装的电路板往往难以达到预期的效果，这是因为我们在设计的时候不可能周全地考虑元件的误差、器件参数的分散性、寄生参数等各种各样的客观因素。此外，电路板的安装中仍存在有可能没有查出来的错误。通过电路板整体测试与调整，可发现和纠正设计方案中的不足，并查出电路安装中的错误然后采取措施加以改进和纠正，就可以使之达到预定的技术要求。本次设计采用的是PCB制作电路板，步骤繁琐，流程较为复杂。所以在电路调整与测试的应注意的问题较多，具体如下：通电前的检查电路安装完毕后，必须在不通电的情况下，对电路板进行认真细致的检查，以便纠正安装错误

21、。检查应特别注意：元器件引脚之间有无短路。因为我们该组是第一次用PCB制作板，在检查电路引脚间的有无短路的时候出现了不少的问题。首先板子在腐蚀的时候就没有腐蚀好（这可能是板子的质量、腐蚀时间的长短、FeCL3溶液的配置等原因）所以在用万用表测量的时候真的是处处短路，而有的地方就是处处断路，为了保证的电路的正确性，只有通过万用表一条条的线路检查是否导通，引脚间是否短路。所以本次设计实物的走线用导线和焊锡补了不少，同时为了避免短路很多地方用小刀刮了不少了。电源的正负、负极性有没有接反，正、负极之间有没有短路现象，电源线、地线是否接触良好。关于电源正、负极问题主要是在本次设计中的单电源供电的导线插在

22、功放电路的插座上，在此应特别注意在测试极性的时候，应注意红、黑表笔不要弄反。红表笔接正极，黑表笔接负极。该设计为了避免次问题在PCB制图的时候将地线稍微加宽。不但满足制图制板的要求，而且使其极性区分明显。二极管有电解电容极性有没有接反，三极管、集成器件引脚有没有接错，集成电路的型号及安插方向对不对，引脚连接处有无接触不良等。在安装的时候我们严格按照测量晶体管的步骤和要求进行，用万用表分别判断出二极管的阳、阴极；小功率三极管的类型、B极、C极、E极；大功率三极管的类型、B极、C极、E极。并作了相应的标注。通电调试 通电测试包括测试和调整两个方面，测试是对安装后的电路板的参数及工作状态进行测量，以

23、便提供调整电路的依据，经过反复测量和调整，就可以使电路性能达到要求。本次关于是电路板的参数和工作状态主要是在Multisim10软件上的仿真进行的，如下图：功放电路原理图功放电路仿真波形图单电源直流稳压可调电路单电源直流稳压可调仿真（仿真证明可提供1.532V电压）4.3.2通电观察 我们首先检测电源电路，接通220V交流电，本电路均无异常现象，但就是没有输出电压，且指示灯没有发光，在次情况下我们多电路进行了分步检查，详细记录如下：1、用完用的ACV200挡测得变压器的副边电压为25.625V，即变压器正常2、用万用表的DCV200挡测量滤波电容两端的电压，万用表无明显变化。由次判断整流桥可能

24、接错或在通电时刻将整流桥烧坏。反复对照电路图和PCB图发现桥的接法没有错误，那么可能就是整流桥已烧坏，用万用表测量发现整流桥的每个间均处于导通状态。根据整流桥的内部结构如下图所示： 整流桥内部结构由图所示，无论红、黑笔放在什么位置，万用表都显示数据并且发出蜂鸣声，次时表明桥内的二极关已经烧毁。3、断开220V交流电源，重新换个整流桥（备用的）正确安装整流桥后，经测量接法没错，重新检查电路的之后再次通电实验，指示灯还不亮。4、断开220V电源再次检查电路，发现7812的3脚接触不良， 改进后再次通电实验，指示灯发光输出电压正常，满足设计要求。4.3.3 OTL功放部分的检测接上电源，观察均无异常

25、现象，用万用表测量线路基本正确，测试过程在此不做详细介绍4.4 数据分析及误差分析1、动态测量表中,Ui较Us的值大。原因是,输入信号源有一定的内阻,并且电阻R1分流。 2、静态测量表中,实际值与理论值有一定的误差。原因是,平衡电阻选用不当;电位器的调制不当。 3、存在的误差有：元器件本身所存在的误差；在电路调试中读数所存在的人为误差。 5. 设计体会与总结1、在这次设计中，让我们确实遇了很多难以解决的问题，同时也学到了很多知识。掌握了功率放大器电路的设计与制作，掌握了TDA2030 LM317TD等集成芯片的原理与作用以及晶体管极性的判断，如何去检查电路中的错误与线路是否导通，进一步熟练万用

26、表的使用，如何制作PCB电路板。更让我明白团体精神的重要性。更懂得做好一件事情的不容易。接触到了与自己相关专业的具体的知识，感觉到所学的东西还是很有用的，通过实践不但巩固了学过的知识，而且其他的对所学知识进行实践论证，及时的发现了存在的许多不足。通过本次课程设计初步了解了一些专业软件的使用，如和ultisim的软件的使用，也初步接触到了具体的制版全过程。2、制作电路板之前在PROTEL制图要注意的问题可很多很多，尤其是初次接受到PROTEL及Multisim等软件，遇到了很多问题，例如如何布线和布局，自动布线完毕后还要通过手工调整，线路宽度的设置（地线与信号线等）还有焊盘和焊孔的设置（本次设计

27、考虑到设备等实际情况采用焊盘大小均为80MIL、安全线间距20MIL，电源，地线比信号线粗一些，本次设计为40MIL和20MIL）连接电路时一定要细仔细，要确保每条线路接触性良好。为保证接出的电路不出现错误，在接线时不能只看着电路原理图去接，应该先把电路图中的每个元件的原理和用途搞清楚，明白每个元件的各个管脚与它哪里相对应，最主要的是搞清楚元件与元件之间的联系，它们在一起有怎样的作用，它们接在一起可以实现那些功能，它们之间有什么相互的影响，好几个元件在一起又能有怎样的功能，弄明白了这些过后，就可以接电路了。在接电路的过程中要仔细并且得有耐心，在检查错误时要更耐心，当出现错误时，首先检查线接对了

28、没有，如果没有错误就看是不是元件存在问题，遇见错误要一步一步的来，不要这里弄一下那里弄一下，这样是不行的。总之检测电路是要有耐心的慢慢的检查。虽然本次设计做出的实物并不是很美观，但确实有一种成就感。3：在这次课程设计中，也得到了不少的学长和学姐的热心帮助，本次其他课程设计的帮助，在此表示忠心的感谢！也感谢同组成员的齐心协力，快乐合作！特别感激指导老师梁庶平的耐心指导，其钟明生老师等在百忙之中对我们精心指导！6、元器件及仪器设备明细表1、电源 2、万用表3、函数信号发生器 4、焊接工具5、双踪示波器 6、元器件清单序号名 称型号及规格单位数量备注1变压器220V30V只12整流桥1A、100V只1制作封装3音频放大TDA2030只1制作封装3可调电位器4.7K只1制作封装 长柄可调1K只1系统封装4晶体管Q9014只1系统封装（小功率）5电解电容47u/100v只210u/50v只32.2mf只16三段稳压可调LM317只1制作封装7二极管IN4007只2系统封装8其他电容100UF、50V只2系统封装0.01UF、50V只3系统封装25UF