基于音频功率放大器的课程设计

南华大学电气工程学院《电子技术课程设计》设计报告设计题目：音频功率放大器专有学生姓名:学号:起迄日期:2023年10月28日-2023年12月20日指导教师:《电子技术课程设计》任务书1．课程设计的内容和要求〔包括原始数据、技术要求、工作要求等〕：一、课程设计内容题目：音频功率放大器要求：输出功率>2W，电源电压为DC±5~18V。注：可以采用TDA1521、TDA1514A、TDA2030A、LM1875、D类音频放大器等集成电路芯片制作。二、课程设计要求综合运用已学习过模拟电路和数字电路等知识，阅读相关集成电路芯片资料和相关文献，了解电子电路设计的有关知识，方法和特点，掌握根本的电子电路设计和芯片使用方法。一人一题，所有学生需要提交实物，实物调试没有成功者，不能及格。指导教师需保存实物，等抽查后，再返还给学生。课程设计必须自己独立完成，不得从网上下载，一经发现该课程成绩记零分。设计报告不超过6页纸，双面打印。课程设计设计说明书〔报告〕应包括有：①电路工作原理分析②电路元器件参数设计计算③电路调试说明④电原理图和PCB图〔必须自己画〕⑤元器件装配图〔必须自己画〕⑥元器件清单⑦自己的收获和体会⑧要求字数不得少于3500字⑨要求图纸布局合理，符合工程要求，使用Protel等软件绘制电原理图〔SCH〕、元器件布局图和印制电路板(PCB)。所有的文档和表格必须采用Word形式。同类型的设计题可以组成一个设计组，组员之间可以开展研究与讨论。雷同者均计0分。阅读有关芯片英文参考资料，理解资料内容。英文资料中的曲线、参数、方框图、引脚端封装等图〔不包括电原理图和PCB图〕可以直接采用〔pdf文档中的图可放大300倍后裁剪到Word文档中〕，图中的英文可以采用英文〔中文〕方式翻译在图下。英文资料中的一些词，如果翻译拿不准，可以采用英文〔中文〕方式标注。课程设计结束，需要交制作的作品、文字稿和电子稿，采用Word文档形式。成绩评定：①按ABCDE分档，其中：优秀为A，良好为B，中等为C，及格为D，不及格为E。②课程设计设计说明书占60%，实物制作占40%。

2．对课程设计成果的要求〔包括图表〔或实物〕等硬件要求〕：设计电路，安装调试或仿真，分析实验结果，并写出设计说明书,语言流畅简洁，文字不得少于3500字。要求图纸布局合理，符合工程要求，使用Protel软件绘出原理图〔SCH〕和印制电路板(PCB),器件的选择要有计算依据。3．主要参考文献：要求按国标GB7714—87《文后参考文献著录规那么》书写。黄智伟．全国大学生电子设计竞赛技能训练[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2007黄智伟．全国大学生电子设计竞赛制作实训[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2007黄智伟．全国大学生电子设计竞赛系统设计[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2006黄智伟．全国大学生电子设计竞赛电路设计[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2006黄智伟．全国大学生电子设计竞赛常用电路模块制作[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2023黄智伟等.基于NImultisim的电子电路计算机仿真设计与分析[M]．北京：电子工业出版社，2007黄智伟.印制电路板〔PCB〕设计技术与实践[M]．北京：电子工业出版社，2023高桔祥等.电子技术根底实验与课程设计[M]．北京：电子工业出版社，2002吴运昌.模拟集成电路原理与应用[M]．广州：华南理工大学出版社，2001年谭博学等.集成电路原理及应用[M]．北京：电子工业出版社，2003魏立军.CMOS4000系列60种常用集成电路的应用[M]．北京：人民邮电出版社，1993杨宝清.实用电路手册[M]．北京：机械工业出版社.2002陈有卿.报警集成电路和报警器制作实例[M]．人民邮电出版社1996肖景和.红外线热释电与超声波遥控电路[M]．人民邮电出版社.2003目录TOC\o"1-2"\h\z\u1．要求与设计说明及方案1.1设计要求1.2原理图设计说明及方案确定与比拟2.元器件的作用和调试仿真分析2.1电路元器件的作用2.2调试结果和仿真分析3.心得体会4.参考文献5.附录1.1设计要求频带宽20Hz-100KZ，输出波形根本不失真；电路输出功率大于2W；输入阻抗8。电源电压为DC±5~18V。1.2原理图设计说明及方案确定与比拟功率放大电路：功率放大电路通常作为多级放大电路的输出级。功率放大器的常见电路形式有OTL电路和OCL电路。在很多电子设备中，要求放大电路的输出级能够带动某种负载，例如驱动仪表，使指针偏转；驱动扬声器，使之发声；或驱动自动控制系统中的执行机构等。也就是把输入的模拟信号经被放大后,去推动一个实际的负载工作，所以要求放大电路有足够大的输出功率，这样的放大电路统称为功率放大电路。而音频功率放大器的作用就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地小，效率尽可能的高。随着半导体工艺,技术的不断开展,输出功率几十瓦以上的集成放大器已经得到了广泛的应用。功率VMOS管的出现,也给功率放大器的开展带来了新的生机。总之，功率放大器的主要任务是向负载提供较大的信号功率,故功率放大器应具有以下几个主要特点：1.输出功率要足够大工作在大信号状态下,输出电压和输出电流都很大.要求在允许的失真条件下,尽可能提高输出功率。2.效率要高功率放大器实质上是一个能量转换器,它是将电源供应的直流能量转换成交流信号的能量输送给负载,因此,要求转换效率高.在直流电源提供相同直流功率的条件下,输出信号功率愈大,电路的效率愈高。3.非线性失真要小功率放大器是在大信号状态下工作,电压,电流摆动幅度很大,而且由于三极管是非线性器件,在大信号工作状态下,器件本身的非线性问题十分突出,因此,输出信号不可防止地会产生一定的非线性失真.在实际应用中,要采取措施减少失真,使之满足负载要求.2.2方案比拟与确定方案一．用分立元件实现分立元件是电子电路的根底元件，一直以来都是在它的根底之上分析和设计电路的。但是随着科技的开展，近年来出现了各式各样的集成器件，使分立元件的主体地位逐渐被集成元件所取代。虽然如此，不过在一些小型的电子电路中，它的优势依然不减。总的来说，分立元件，散热快，价格廉价，在设计中自由性也比拟大。方案二.用集成器件实现集成功率放大器是在集成运算放大电路的根底之上开展起来的，其内部的电路和原理与集成运算放大电路根本类似。但是它又和集成运放有很大的不同，这在于它的平安性，高效性，低失真上优于集成运放，并且输出功率大。电路内部多施加深度负反应。集成功率放大器广泛应用于各种各样的电器中，输出功率由几百毫瓦到几十瓦。除了单片集成功放电路外，还有集成功率驱动器，它与外配的大功率管及少量阻容元件构成大功率放大电路，有的集成电路本身包含两个功率放大器，称为双声道功放。集成功率放大器不仅具有体积小，重量轻，本钱低，外围元件少，安装调试简单，使用方便等优点；而且在性能上也优于分立元件，例如温度稳定性好，功耗小，失真小，特别是集成功率放大器内部还设置有过热，过电流，过电压等自动保护功能的电路对电路自行进行保护。通过比拟，由于使用分立元件所用的单个器件比拟多，从而考虑的各种反应电路和保护电路会比拟多，实现起来会相对复杂；另外，集成器件在很多方面明显优于分立元件。所以我们运用集成芯片TDA2030完成音频功率放大电路的设计，能够更好地到达设计任务和要求。TDA2030简介：TDA2030是一块性能十分优良的功率放大集成电路，音频功率放大器用集成功放TDA2030为主的电路，其制作简单，价格低廉，输出功率大，保真性好，适合初学者和大学生。它是德律风根生产的音频功放电路，采用V型5脚单列直插式塑料封装结构。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。TDA2030功率放大器采用晶体三极管的电流放大作用将电源的输入功率转换为按照输入信号变化的放大电流。声音可以看做不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流是基极电流的β倍，β是三极管的交流放大倍数，基于这个原理，假设将小信号注入基极，那么集电极的电流等于基极电流的β倍，接着将这个信号用隔直电容隔离出来，就可以得到电流是原先的β倍的放大信号，这就是晶体三极管的放大作用。经过接连不断的电流放大，就可以实现功率的放大。据统计，已生产成的各种单片功率集成电路中，输出功率最大的不过20W，但是TDA2030的输出功率却可以到达18W，倘假设把两块集成电路组成BTL电路，那么输出功率可以到达35W。另外，大功率集成电路由于所需的电源电压很高，输出的电流很大，在使用过程中如果不小心很可能使它烧坏，不过在TDA2030集成电路中，内部设计了较为完善的自我保护电路，一旦输出电流过大或管壳过热，集成电路能自动地减流或截止，使自己得到保护。电路特点：[1].外接元件非常少。[2].输出功率大，Po=18W(RL=4Ω)。[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，因此工作平安可靠。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。[6].TDA2030A能在最低±6V最高±22V的电压下工作在±19V、8Ω阻抗时能够输出16W的有效功率，THD≤0.1%。无疑，用它来做电脑有源音箱的功率放大局部或小型功放再适宜不过了。引脚情况：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。TDA2030示意图：2．元器件的作用和调试仿真分析总的电路图2.1电路元器件的作用由于电源本身不是完全直流，里面含有纹波，会影响输出结果，因而需要在电源输入端对电源进行纹波，选用C3和C5可有效滤掉电源的纹波。输入端2.2uF电容是输入耦合电容，作用是隔离音源前级过来的直流，通过音源过来的音频信号〔交流〕。这个电容的容量是根据级间的阻抗估算的，如级间阻抗为R，阻容等效网络的截至频率为1/(2*3.14*R*C)，电容取值要让这个频率小于20Hz，比方说你的功放输入阻抗为47K，那这个电容可以取1~2.2uF。2个4001是防止输出电平过载烧毁芯片。电容C6是输出耦合电频，作用是隔离直流防止烧毁喇叭。双电源不需要因为他是OCL〔无输出端耦合电容〕电路。那两个电容是去耦电容，抗干扰的。消振移相网络，防止功放产生自激。喇叭是感性元件，与其并联后能更接近阻性。分压电路，能保持电路正常工作，因为1脚和2脚电压必须一样且都为电源电压的一半，即VCC/2。2个100K电阻〔最上面的和最下面的〕实际上是电阻分压电路，正好分压VCC的一半，再经过中间一个100k电阻到1脚，使1脚电压在正常工作电压VCC/2。两个二极管可在电流过大的时候保护电路。由于输出端接的是喇叭，为感性，为防止其发生自己震荡，同时更好的滤波，保证输出信号更好，在输出端接上一个电容2200和一个电阻1串联接地。2.2调试结果和仿真分析〔1〕测试工具：信号发生器，示波器，数字万用表〔2〕测试数据：输出电压：Uo=Ui*〔1+R2/R6〕输出功率：Po=Uo2/Ro放大倍数：Au=1+R2/R6≈19.9测试条件：直流电源电压15v，输入信号300mv，输入频率1KHz，负载电阻8。理论数据：由上表可以求得输出电压放大倍数：Au≈19.9UiUoPo300mv5.97v4.46w600mv12v18w实测数据：由上表可以求得输出电压放大倍数：Au>19.9UiUoPo300mv6v4.5w600mv11.9v17.8w〔3〕误差分析：从波形图中可以看出实测数据与理论数据存在误差，电压放大倍数不是理论上的20倍，而是有所偏大。因为电路板的原理设计不是很合理，元件的数值与理论有一定的差距，元件相互之间的影响，还有集成功放芯片会发热，周围环境温度对它会产生影响，从而也导致了一定的误差。〔4〕波形图：运用Multisim仿真就得到了仿真的波形：在下列图中，波形小的为输入波形Ui，输入端为B端；大的为输出波形Uo，输入端为A端。〔5〕噪声分析：是电路的自激现象，还有电阻的选择有点偏大或偏小，电路的功能不全，应加前置和滤波局部。由图形可以看出在一定的范围内信号得到了放大，到达了实际的效果，根本上完成了任务的要求。3.心得体会计期间我发现了很多问题，经过反复思考与分析，发现原来许多理论的功率放大器原理图都与实践有很大的区别，我耐心的一个个对原理图进行分析，最后我们确定了自己的合理的原理图，进行了分析和元件参数的一定程度的修改。之后我们又对电路图进行了仿真。在仿真软件Multisim中，首先，我们第一步是绘制功率放大器的原理图，接着设置元件的各种参数，最后就要应用Multisim的仿真功能观察了电路静态工作点、交流分析等各种仿真分析，得出了相应的仿真图形。在此期间，我又根据仿真结果与实际结果的比照，对电路元件参数进行了相应的修改，最后得到了比拟理想、比拟接近实际的仿真结果。也最后确定了实际功率放大器的元件参数。紧接着我们就购置了所需的电路元件，开始了我们的实物洗板阶段通过这短暂几天的学习，让我体会到想要创造一个实用的电子设备要经过很长时间的设计与改造，因为实际与理论又很大的区别。另外仿真软件的方针效果也很重要，对实物的焊接又很大的影响。有了较好的仿真将使焊接工作变得方便、简捷。仿真软件Multisim确实是非常实用的软件。元件的连接使用自动化的画线工具，对所绘制的原理图进行快速检查。所有这一切将使设计工作变得方便、简捷。在我们学习的过程中不仅考验了我们对知识的吸收和掌握，而且也考验了我们的细心和耐心。提到细心和耐心，我深有体会。在画完电路图后，出了很在我们学习的过程中不仅考验了我们对知识的吸收和掌握，而且也考验了我们的细心和耐心。特别是在仿真过程中对参数的改良和电路图的查找过程中，我深有体会。我认为这次实习不仅仅学习了软件知识，还提高了我们专业素质。完成这次