音频功率100W放大器设计

1、设计课题：音频功率（100W放大器设计摘要：随着现代电子技术的发展，集成电路被广泛地应用于各类电子电路中。随着半导体技术的进步，功率放大电路也得到了飞速的发展 和应用。音频功率放大器是功率集成电路的重要组成部分，并且广泛应用于消费类电子产品中。我国是全球最大的消费类电子商品市场和 生产基地，音频功率放大器的需求日益倍增。 因此研究音频功率放大 器有着非常重要的现实意义。本文通过对音频功率放大电路知识和技术指标的学习及研究，并在查阅大量资料的基础上，深入理解功率 放大的基本原理以及功放的类型， 然后选择不同的方案，比较不同电 路之间的性能指标，效率等，最终经过综合考虑设计了一款集成功率 BTL放

2、大电路，然后进行仿真调试，实现了 100W的音频功率放大， 但结合仿真图像信号失真比较明显。关键字：100W功率放大;OCL电路；BTL电路；multisim 软件仿 真;TDA2030音频放大器一、设计总体方案1、音频功率放大电路概述音频功率放大器是音响系统中的关键部分， 其作用是将传声元器件获 得的微弱信号放大到足够的强度去推动放声系统中的扬声器或其他 电声元器件，使原声响重现。具电路一般可分为两部分，前一部分进 行小信号电压幅值放大，后一部分采用功率放大器，与扬声器相连。般扬声器的阻值较低，仅有 8c左右，需要较大的输出电流才能达到较大的输出功率，因此，需要功率放大器提供足够功率，一般电

3、脑的有源音箱大多采用这种方式。其简单的构成框图如图1-1所示音频信号输入（麦克风）前置放大电路带通滤波器功率放大电路音频信号输出（扬声器）图1-1音频功率放大器简单的构成框图2、功率放大器的基本原理音频功率放大器实际上就是对比较小的音频信号进行放大，使其功率 增加，然后输出。其原理如图（一）所示，前置放大主要完成对小信号 的放大，使用一个同向放大电路对输入的音频小信号的电压进行放 大，得到后一级所需要的输入。后一级的主要对音频进行功率放大， 使其能够驱动电阻而得到需要的音频。设计时首先根据技术指标要 求，对整体电路做出适当安排，确定各级的增益分配，然后对各级电路进行具体的设计。3、方案设计BT

4、L 电 路 的 组 成 及 工 作 原 理 大家知道OCL和OTL两种功放电路的效率很高，但是他们的缺点就是 电源的利用率都不高，其主要原因是在输入正弦信号时，在每半个信 号周期中，电路只有一个晶体管和一个电源在工作。为了提高电源的 利用率，也就是在较低电源电压的作用下， 使负载获得较大的输出功 率，一般采用平衡式无输出变压器电路，又称为 BTL电路。电路如图 1所示。图I分立元件BTL电路图在输入信号Ui正半周时，V1, V4导通，V2, V3截止，负载电流由VCC经V1, RL, V4流到虚地端。如图 1中的实线所示。在输入信号Ui负半周时，V1, V4载止，V2, V3导通，负载电流由V

5、CC经V2, RL V3流到虚地端。如图1中虚线所示。可见：(1)该电路仍然为乙类推挽放大电路，利用对称互补的2个电路完成对输入信号的放大；具输出电压的幅值为：UOM矣VCC最 大 输 出 功 率 为：POM1空2 Rl(2)同OTL电路相比，同样是单电源供电，在 VCC RL相同条件 下，BTL电路输出功率为OTL电路输出功率的4倍，即BTL电路电源 利用率高；(3) BTL电路的效率在理想情况下，仍近似为 78.5%。集成功率放大电路构成BTL电路的条件在实际工作中经常用到集成功率放大电路，两块对称集成功率放大电路也可构成BTL电路。用集成电路怎样才能构成 BTL电路。上面 已经介绍了分立

6、元件的BTL电路，首先我们来分析分立元件BTL电路 特点：(1)由电路结构中可见，BTL电路由2个互补对称电路构成，A1, A2电路的元件参完全相同；2个互补放大器输入端电压极性相反，其值大小相等，即为 差模信号。2个互补集成放大电路输出端电压的极性相反，值大小相等， 即负载RL两端电压大小相等，极性相反。根据以上特点，可采用2种型号、参数完全相同的集成功率放大 电路，且使2个放大输入信号极性相反，同时使负载两端(输出端) 的电压极性相反，便可构成BTL电路，在实际中通常这种方法，容易 使电路参数完全对称，一般采用双功率放大电路构成。其原理框图如 图2所示，要求A1, A2输入信号大小相等，放

7、大电路输入、输出回路完全相同，只有这样才能保证负载 RL两端电压大小相等；另一方 面要求A1, A2都不具有(或都有)倒相作用，保证负载两端电压极 性相反。另一种方法就是将双端输入改为单端输入，输入、输出信号 满足上述要求即可。苗2 集成功率BTL电踏朦理框由:、器件选择及参数计算1、器件选择：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

8、正输出单电源供电TDA2Q3海限参数参数钞榔艮值单位电源电压(VS)土 18V输入电压mmVSV差分输入电压(V。)15V峰值输出电流血)3.5A耗散功章(PtotXVdi)20W工作结温E)-40+150七存储结温CTstg)-40-*1502、参数计算:假设电路电压增益分配输入级为10倍，输出级为140倍，根据输出 级的特点，每一个同相放大电路的电压增益不低于 70倍即可。据此 选择R12=R14=70& R13=R15=1kQ,考虑到电路的静态、动态的对称 平衡，取 R10=R11=70kQ,R8=R9=1kQo输入级可以根据前面的理论分析进行估算，若稳压管的稳压值为5.1V,流过稳压管

9、的电流为10mA,则R7为2.5KQ。取R3=R4=10kQ, R2-=R6=20KQ,R1 = 1kQ,信号的输入端由戴维南等效电阻为 0.95238kQ,等效信号 为9.5238mv,等效负载电阻为10| (20+1) =6.774kQo 电流系数放大 130倍，取 R5=21.6kQ,取 21kQ。3、BTL电路图其中Q1, Q2, Q3组成带恒流源的差分放大电路， 使整个电路的输入 级，其两个单端输出的大小相等，相位相反的信号，分别送给两个完 全相同的同相放大电路，负载接在 U1和U2的输出端，所以输出级 为BTL放大电路。这样整个电路输入和输出特性达到对称平衡，电路具有良好的性能指标

10、。1G.7VXW*11R3 RA 1QkQ R15 训;. ” ?C5=30ljFVEE-16.7VVeie ban _VEE 17V 将 -MAr 70 ko= 30uFR10 70kDEER1i ”儿- 70 kD三、用multisim仿真TL电路功率仿真通过不断的调整电阻值实现了 100W的功率放大，波形的失 真是由于在正弦波上加了多种高次谐波造成的(如 3次谐波、5次谐波等)所以称为总谐波失真。理想的音频功率放大器没有谐波失真及 噪声，所以THD+N=0%实际的音频功率放大器有各种谐波造成的失 真及由器件内或外部造成的噪声，它有一定的THD+N的值。这个值一般在0.00n%-10%之间

11、(n=19)。0.1%以下耳朵基本感觉不出来。 结 果如图所示100.005 WVoltageCurrent四、设计心得1、收获通过这次实验自己查阅了大量的功率放大方面的资料，查找了各种类型的功放电路，并对不同电路的性能指标做了深入研究， 不断的 筛选，然后确定参数，最后仿真调试，整个过程不仅加深了对此部分 知识的理解，更锻炼了自己的实践能力自学能力， 比如multisim的正 确安装及使用，示波器的连接方式，TDA2030集成运放的功能及优点。 另外，也让我学会了解决问题的方法和在解决问题时要沉着冷静，不能急于求成，从最基本的开始研究，逐渐找到解决问题的途径，比如最开始看到这个题目，感觉有点不知从何入手，但是当自己静下心来 仔细的把教材读懂，然后看一些参考数目后就有了自己的想法， 然后 开始实践觉得轻松了许多，所以在做任何研究时，懂得基本原理是后 续工作的前提，通过本次的研究，相信会为以后的实验增加信心。2、存在问题理想的音频功率放大器，若不考虑该功率放大器的增益大小， 输 入一定频率的正弦波信号，其输出也应该是没有失真（波形没有变 形）、没有噪声的正弦波信号。但真实的音频功率放大器的输出音频 信号总会有一点失真，并且叠加了噪声（在正弦波上叠加了