音頻功率放大器設計報告(2)

1、音頻功率放大器設計報告系別：物理系成員：張元，李春標，周淼森 目錄1引言42 設計指標及分析42 1主要技術指標42 2性能指標分析與說明43 設計方案54 基于集成運放TDA2030的電路設計74 1 電路設計流程74 2 直流穩(wěn)壓電源的設計74 3 OCL功率放大器的設計85電路板95 1 電路板調試96 變壓器設計10附錄：電路圖 Protues仿真 元件清單 TDA2030是高保真集成功率放大器芯片，輸出功率大于10W，頻率響應為101400Hz，輸出電流峰值最大可達3.5A。其內部電路包含輸入級、中間級和輸出級，且有短路保護和過熱保護，可確保電路工作安全可靠。TDA2030 在電源電

2、壓±14V，負載電阻為4時輸出14瓦功率（失真度05）；在電源電壓 ±16V，負載電阻為4時輸出18瓦功率（失真度05）。該電路由于價廉質優(yōu)，使用方便，并正在越來越廣泛地應用于各種款式收錄機和高保真立體聲設備中。關鍵詞：TDA2030 雙聲道 集成電路電路原理說明： 220V市電經過變壓器，和開關S1.變壓器的次級輸出雙12V交流，雙12V送入由D1組成的橋式整流電路電路，經過橋式整流和C1,C4（2200UF,）的濾波，C2、C3（104）=0.1UF為電源高頻旁路電容，防止電路產生自激振蕩。D2、R1組成電源指示電路，以指示電源是否正常。 輸出的空載電壓約為正負15V左

3、右（U=1.414*12V），即A+為正15V，A-為負15V。正負15V為兩塊功放芯片TDA2030提供電源。 聲道放大電路，因左右聲道作原理完全一致。這里我只以左聲道為例，作個介紹。如圖：RIN為信號輸入端，經過分壓電阻R3進入音量電位器R2，（音量電位器由三個引腳，與R3連接的是輸入端，輸出端也叫滑動端、另一引腳為接地端）. 調整音量后信號進入由R4/C5組成的高音提升電路，此電路可以提升一定量的高頻信號，使聲音更加清晰。C8,R10,R7,R8組成高通濾波電路,調整電位器R8(100K)都可以調整截止頻率。C6,C7,R6,R5組成的低通濾波電路。調整電位器R5(100K)都可以調整信

4、號截止頻率。 爾后信號經過耦合電容C8進入左聲道功放TDA2030的1腳，經過功率放大后，由TDA2030的第四腳輸出，推動揚聲器LS1發(fā)聲。 R11、R12決定了該電路交流負反饋的強弱及閉環(huán)增益。該電路閉環(huán)增益為（R11+R12）/R11=（0.33+47）/0.33=143.4倍，C10起隔直流作用，以使電路直流為100%負反饋。靜態(tài)工作點穩(wěn)定性好。R13、C11構成容性網絡，與揚聲器感性阻抗并聯后，可使功放的負載接近純阻性質，不僅可以改善音質、防止高頻自激，還能保護功放輸出管。本設計是以集成電路TDA 2030A為中心組成的功率放大器，它具有失真小、外圍元件少、裝配簡單、功率大、保真度極

5、高等特點。本電路由三部分組成，即電源部分；左（L）聲道功能放大器和右（R）聲道功能放大器。LED和R19為電源指示電路，以指示電源是否正常，開關K為電源開關。通過變壓器將220V交流電變?yōu)槌?2V交流電，然后將12V交流電與橋式整流連接，輸出15V直流電供電路使用。橋式輸出電壓通過C17、C18濾波之后作用于兩個功率放大器IC1、IC2。輸入信號通過L IN、R IN輸入，信號經過放大后通過L OUT、R OUT輸出。通過三個電位器的調節(jié)（高、低音和音量調節(jié)）就可以輸出高保真的立體聲音樂。1引言音頻放大器的目的是在產生聲音的輸出元件上重建輸入的音頻信號，信號音量和功率級都要理想如實、有效且失真

6、低。音頻范圍為約20Hz 20kHz，因此放大器在此范圍內必須有良好的頻率響應(驅動頻帶受限的揚聲器時要小一些，如低音喇叭或（高音喇叭)。其主要任務是將音頻信號放大到足以推動外接負載，如揚聲器、音響等。；所以要滿足于廣大消費者享受優(yōu)美動聽的音質，必須研發(fā)更替功率放大器。目前，音頻功率放大器仍以模擬功放為主流產品，模擬功放經歷了數十年的不斷改進和完善，其技術已發(fā)展到了頂峰。根據應用的不同，功率大小差異很大，從耳機的毫瓦級到TV或PC音頻的數瓦，再到“迷你”家庭立體聲和汽車音響的幾十瓦，直到功率更大的家用和商用音響系統(tǒng)的數百瓦以上，大到能滿足整個電影院或禮堂的聲音要求。音頻放大器的一種簡單模擬實現

7、方案是采用線性模式的晶體管，得到與輸入電壓成比例的輸出電壓。正向電壓增益通常很高(至少40dB)。如果反饋環(huán)包含正向增益，則整個環(huán)增益也很高。因為高環(huán)路增益能改善性能，即能抑制由正向路徑的非線性引起的失真，而且通過提高電源抑制能力(PSR)來降低電源噪音，所以經常采用反饋。2 設計指標及分析2.1主要技術指標輸出功率：1020W（額定功率）頻率響應：20HZ200KHZ(3dB)諧波失真： 1（10W,20HZ20KHZ）輸出阻抗：0.2歐姆輸入靈敏度：500Mv(1000HZ,額定輸出時)2.2性能指標分析與說明通常情況下，要求放大的輸出級輸出一定的功率來驅動負載。從某種角度來看功率放大電路

8、與其他放大電路沒有本質區(qū)別，但功率放大器即不是追求高電壓輸出，也不是追求大電流輸出；而是盡可能大的功率。功率放大電路主要是在允許的失真限度內，高效率的提供足夠的功率驅動負載。對功率放大器的電路基本要求是：頻率響應：表示功放的頻率范圍，和頻率范圍內的不均勻度。頻率曲線的平直與否一般用分貝db表示。家用HI-FI功放的頻響20Hz-20KHZ正負1db.這個范圍越寬越好。功率輸出：功率Po=U*U/R,即要求輸出電壓高，輸出電流大。晶體管在大信號極限運行狀態(tài)工作，同時應該注意管子的安全。效率：晶體管按照輸入信號的變化規(guī)律，將直流電壓提供的能量 轉化為交流能量的過程，就是信號放大的過程，轉化效率為負

9、載獲得的功率與電壓提供的功率的比值。失真度：理想的功放應該是把輸入的訊號放大后，毫無改變的忠實還原出來。但是由于各種原因經功放放大后的信號與輸入信號相比較，往往產生了不同程度的畸變，這個畸變就是失真。用百分比表示，其數值越小越好。 信噪比：是指信號電平與功放輸出的各種噪音電平之比，用db表示，這個數值越大越好。為了符合技術指標，獲得較佳的效果。信號源頻率f范圍可選為20HZ20KHZ ；電壓Us范圍可選為20mV500mV。電路放大倍數Av為70400。輸出電阻為0歐姆。3 設計方案采用TDA2030集成塊來實現電路要求。TDA 2030 是一塊性能十分優(yōu)良的功率放大集成電路，其主要特點是上升

10、速率高、瞬態(tài)互調失真小，能在最低±6V最高±22V的電壓下工作在±19V、8阻抗時能夠輸出16W的有效功率，THD0.1%。TDA2030 集成電路的另一特點是保護性能比較完善。一旦輸出電流過大或管殼過熱，集成塊能自動地減流或截止，使自己得到保護。所以只要采用兩片TDA2030集成塊，再附加一些其他功能電路和一些補償、保護器件即可設計出一款性能較佳的雙聲道功放。 電路方框圖音頻放大電路是典型應用電路， 由一塊TDA 2030和較少元件組成的音頻放大電路、裝置調整方便、性能指標好等突出的優(yōu)點。特別是集成塊內部設計有完整的保護電路，能自我保護。TDA 2030是一塊性

11、能十分優(yōu)良的功率放大集成電路，其主要特點是上升速率高、瞬態(tài)互調失真小，在目前流行的數十種功率放大集成電路中，規(guī)定瞬態(tài)互調失真指標的僅有包括TDA 2030在內的幾種。我們知道，瞬態(tài)互調失真是決定放大器品質的重要因素，該集成功放的一個重要優(yōu)點。TDA2030A功率放大管利用三極管的電流控制作用或場效應管的電壓控制作用將電源的功率轉換為按照輸入信號變化的電流。因為聲音是不同振幅和不同頻率的波，即交流信號電流，三極管的集電極電流永遠是基極電流的倍，是三極管的交流放大倍數，應用這一點，若將小信號注入基極，則集電極流過的電流會等于基極電流的倍，然后將這個信號用隔直電容隔離出來，就得到了電流(或電壓)是原

12、先的倍的大信號，這現象成為三極管的放大作用。經過不斷的電流及電壓放大，就完成了功率放大。 根據掌握的資料，在各國生產的單片集成電路中，輸出功率最大的不過20W，而TDA 2030的輸出功率卻能達18W，若使用兩塊電路組成BTL電路，輸出功率可增至35W。另一方面，大功率集成塊由于所用電源電壓高、輸出電流大，在使用中稍有不慎往往致使損壞。然而在TDA 2030集成電路中，設計了較為完善的保護電路，一旦輸出電流過大或管殼過熱，集成塊能自動地減流或截止，使自己得到保護（當然這保護是有條件的，我們決不能因為有保護功能而不適當地進行使用）。電路特點：1.外接元件非常少。2.輸出功率大，Po=18W(RL

13、=4)。3.采用超小型封裝（TO-220）,可提高組裝密度。4.開機沖擊極小。5.內含各種保護電路，因此工作安全可靠。主要保護電路有：短路保護、熱保護、地線偶然開路、電源極性反接（Vsmax=12V）以及負載泄放電壓反沖等。 6.TDA2030A能在最低±6V最高±22V的電壓下工作在±19V、8阻抗時能夠輸出16W的有效功率，THD0.1%。無疑，用它來做電腦有源音箱的功率放大部分或小型功放再合適不過了。 TDA2030集成電路的第三個特點是外圍電路簡單，使用方便。在現有的各種功率集成電路中，它的管腳屬于最少的一類，總共才5端，在焊接電路板的時候TDA2030A

14、的管腳的分布對于焊接的時候很重要的，如果管腳的區(qū)分有錯，直接會導致的功率放大器燒掉。通過查閱資料知道他的管腳分布為：漢字對著人，從左往右數為1 2 3 4 5 其中 1 為同相輸入端2為反相輸入端3為功率放大器的接地端4為功率放大器的輸出端5為功率放大器的電源線的接入端 4 基于集成運放TDA2030的電路設計4.1 電路設計流程圖1 電路方框圖4.2 直流穩(wěn)壓電源的設計穩(wěn)定直流源在幾乎所以電路中不可缺少，主要給電子電路提供能量。直流穩(wěn)壓電源最主要是能夠輸出恒定的電壓，設計的一般思路是讓輸入電壓先通過電壓變壓器，再通過整流網絡，然后經過濾波網絡，最后經過穩(wěn)壓網絡輸出。本設計采用中心抽頭式變壓器

15、，然后經過橋式整流電路作為整流網絡，再以容值為1000uF/25V電容作為濾波網絡，接著采用固定式三端集成穩(wěn)壓器LM7812和LM7912作為穩(wěn)壓網絡，最后經過10uF電路濾波輸出。其中電容cap1、cap2、cap5和cap6主要是抑制穩(wěn)壓塊的自激震蕩。二極管D1，D2主要是對穩(wěn)壓塊的保護。設計制作出來的直流穩(wěn)壓電源原理圖如下：圖2直流穩(wěn)壓電源4.3 OCL功率放大器的設計功率放大器是本設計的核心部分，功率放大器的每一環(huán)節(jié)都直接影響到輸出的音質。本設計電路為雙電源供電OCL音頻功率放大器（雙聲道），其中高保真運算放大器TDA2030集成塊輸出電流峰值最大可達3.5A，其內部電路包含輸入級、中

16、間級和輸出級，且有短路保護和過熱保護，可確保電路工作安全可靠。運用TDA2030集成塊設計的電路圖如下：圖2 功率放大器5電路板5.1電路板調試步驟調試工具：信號發(fā)生器 數字萬用表 數字示波器 1 將直流穩(wěn)壓電源插上插座，用數字萬用表測量直流電源輸出端是不是±12v 。實測數據：11V -12.5V2 將直流穩(wěn)壓電源輸出端與功放板電源端相連接，測量兩個TDA2030的3腳和5腳是否為-12V和+12V。實測數據 10.8 V 12V3將信號發(fā)生器調到1kHz 50mV 正弦交流波形輸出，接到功放板的信號端。將示波器接到TDA2030 的1腳，并將W1電位器旋到最左端，看示波器是不是輸

17、出7mV 1kHZ的正弦波；旋到最右端，看示波器是不是輸出44mV 1KHZ的正弦波。誤差范圍：±5%實測數據：6 mV 40mV4將信號發(fā)生器調到50mV 100HZ , 調節(jié)W2 W3 電位器，看示波器有沒波形輸出，再將信號發(fā)生器調到23KHZ 看示波器有沒波形輸出。測試結果： 沒有5調節(jié)信號發(fā)生器輸出波形的幅度,并將示波器接在TDA2030的第4引腳，觀察波形失真度為7.07%時，信號發(fā)生器的電壓有效值。測試數據：輸入靈敏度：400mV 單個通道額定功率： 8.5 W 6 變壓器設計 變壓器是利用電磁感應的原理來改變交流電壓的裝置，主要構件是初級線圈、次級線圈和鐵芯(磁芯)。主要功能有:電壓變換、電流變換、阻抗變換、隔離、穩(wěn)壓(磁飽和變壓器)等。此次電路設計才用220V轉12V變壓，根據e1/e2=L1/L2，應用此變壓器設計，220V/12V=44000/2400（圈數），見圖圖3 變壓器工作原理圖附錄電路圖Protues仿真第13頁元件清單1