音頻功率放大器模擬電路設(shè)計

1TOC\o"1-2"\h\z\u方案設(shè)計 62方案比較 93單元模塊設(shè)計 103.1直流穩(wěn)壓電源 103.2前置放大 123.3濾波器設(shè)計 13 133.3.2低頻濾波器電路 153.3.3帶頻濾波器電路 153.3.3帶頻濾波器電路 163.4功率放大器電路 16 163.4.2電路工作原理介紹 184軟件設(shè)計 194.1Protel99SE軟件 194.2Word2003軟件 195系統(tǒng)調(diào)試 19系統(tǒng)總圖 196系統(tǒng)功能 207.總結(jié)與體會 21文獻(xiàn) 22附錄：電路原理圖 23相關(guān)設(shè)計圖 23相關(guān)設(shè)計軟件 23音頻功率放大器摘要：本音頻功率放大器由四部分組成：電源，前置放大級，濾波器，功率放大電路。電源電路輸入交流電，輸出18V的直流電，為集成功率放大器供電；再經(jīng)過變換輸出+12V與-12V的直流電，為濾波器及前置放大級的運(yùn)算放大器的供電。前置放大級將音頻信號放大至功率放大器所能接受的范圍。濾波器電路，分為高通濾波器、中通濾波器、低通濾波器，將輸入的音頻信號分為不同頻率音頻信號，并設(shè)有開關(guān)可以按個人喜好調(diào)節(jié)輸出音頻信號。功率放大電路，將輸入的信號功率放大。關(guān)鍵字：音頻功率放大器、電源、濾波器、功放電路Abstract:Theaudiopoweramplifierconsistsoffourparts:powersupply,levelpreamp,filter,poweramplifiercircuit.ACinputpowersupplycircuit,outputDC18V,powersupplyfortheintegratedpoweramplifier;anothertransformoutput+12Vand-12VDC,inordertofilterandpreamp-levelop-amppowersupply.Preamp-levelaudiosignalamplificationwillbeacceptabletothescopeofpoweramplifier.Filtercircuit,isdividedintohigh-passfilter,in-passfilter,lowpassfilter,theinputaudiosignalintodifferentfrequencyaudiosignalandaswitchingregulatorinaccordancewithpersonalpreference,audiooutput.Poweramplifiercircuit,theinputsignalpoweramplifier.Keywords:Audiopoweramplifier,powersupply,filter,poweramplifiercircuit前言在當(dāng)代生活中，人們因生活層次、文化習(xí)俗、音樂修養(yǎng)、欣賞口味的提高，人們對音響的性能要求也越來越高。所以，制作出完美音響也成了人們追求的目標(biāo)。音頻功率放大器作為音響設(shè)備的重要器件，完美的音頻功率放大器是做出完美音響的必要條件。音頻功率放大器是一個技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟的領(lǐng)域，幾十年來，人們?yōu)橹冻隽瞬恍傅呐?。無論是從線路技術(shù)還是元器件方面，乃至思想認(rèn)識上都獲得了長足的進(jìn)步?；仡櫼幌鹿β史糯笃鞯陌l(fā)展歷程，對我們來說也是一件積極有意義的事情。隨著時代的發(fā)展，信息時代的來臨，音頻功率放大領(lǐng)域取得了喜人的碩果。新的技術(shù)飛躍往往是新材料、新理論、新方法的出現(xiàn)之后產(chǎn)生的，音頻放大器同樣也不會例外。在科技日新月異的時代，我們有理由期待更完美的功率放大器的出現(xiàn)。此次電子技術(shù)課程設(shè)計我們選擇的就是音頻功率放大電路的設(shè)計。我們采用了LM1875集成芯片作為音頻功率放大電路的核心器件。而且我們還采用了低通、高通、帶通濾波器這樣我們可以根據(jù)個人的不同愛好對不同頻段的音頻信號做選擇性的處理。為了給集成芯片和濾波器提供穩(wěn)定的電壓以保證它們正常的工作。我們制作了直流穩(wěn)壓電源，通過該電路可以為電路提供穩(wěn)定的直流電。但是由于濾波器和LM1875集成芯片對直流電壓大小需求不同，所以我們運(yùn)用了運(yùn)放電路，這樣可以分配直流穩(wěn)壓電路產(chǎn)生的電壓分配到濾波器和集成芯片對電壓不同的要求。概括的說此功率放大器由直流電源電路、運(yùn)放電路、濾波器電路、集成功放電路等四部分組成。方案設(shè)計2.1設(shè)計方案一以下設(shè)計的是音頻功率放大器的方案流程圖：由晶體管與集成運(yùn)放組成的功率放大電路。其中運(yùn)算放大器組成驅(qū)動級，晶體管組成復(fù)合式對稱電路。模擬音量控制器由運(yùn)算放大器和電位器組成。高低音分別控制，可以達(dá)到高音、低音同時提升和壓低的效果。復(fù)雜的系統(tǒng)將音頻范圍設(shè)分為若干個頻段由多個電位器對各個頻段分別控制。其原理方框圖為：輔助直流穩(wěn)壓電源輔助直流穩(wěn)壓電源揚(yáng)聲器運(yùn)算驅(qū)動級甲類功率放大級模擬音量控制磁帶錄音機(jī)揚(yáng)聲器運(yùn)算驅(qū)動級甲類功率放大級模擬音量控制磁帶錄音機(jī)圖2.2設(shè)計方案二 由晶體管與集成運(yùn)放組成的ＯＣＬ功率放大電路。其中運(yùn)算放大器組成驅(qū)動級，晶體管組成復(fù)合式對稱電路。音量控制器由５５５產(chǎn)生手動控制音量設(shè)需脈沖，集成模擬開關(guān)ＣＤ４０５１的８路輸出信號控制電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的衰減倍數(shù)，其地址由計數(shù)器ＣＤ４５１６提供。其原理方框圖為：輔助直流穩(wěn)壓電源輔助直流穩(wěn)壓電源揚(yáng)聲器運(yùn)算驅(qū)動級甲乙類功率放大級數(shù)字音量控制器磁帶錄音機(jī)揚(yáng)聲器運(yùn)算驅(qū)動級甲乙類功率放大級數(shù)字音量控制器磁帶錄音機(jī)圖2.3設(shè)計方案三 新一代數(shù)字延時器電路CXA1644P是專用數(shù)字音響集成電路，它將混響效果設(shè)需的全部功能包含在集成塊內(nèi)。使用運(yùn)放作為前置放大電路，再由ＬＡ４１００組成功率放大器。其原理方框圖：輔助直流穩(wěn)壓電源輔助直流穩(wěn)壓電源運(yùn)算驅(qū)動級揚(yáng)聲器乙類功率放大級CXA1644P磁帶錄音機(jī)運(yùn)算驅(qū)動級揚(yáng)聲器乙類功率放大級CXA1644P磁帶錄音機(jī)圖2.4設(shè)計方案四TDA2030是一塊性能十分優(yōu)良的功率放大集成電路，其主要特點(diǎn)是上升速率高、瞬態(tài)互調(diào)失真小，在目前流行的數(shù)十種功率放大集成電路中，規(guī)定瞬態(tài)互調(diào)失真指標(biāo)的僅有包括TDA2030在內(nèi)的幾種。我們知道，瞬態(tài)互調(diào)失真是決定放大器品質(zhì)的重要因素，該集成功放的一個重要優(yōu)點(diǎn)。TDA2030集成電路的另一特點(diǎn)是輸出功率大，而保護(hù)性能以較完善。根據(jù)掌握的資料，在各國生產(chǎn)的單片集成電路中，輸出功率最大的不過20W，而TDA2030的輸出功率卻能達(dá)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TDA2030集成電路中，設(shè)計了較為完善的保護(hù)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(hù)（當(dāng)然這保護(hù)是有條件的，我們決不能因為有保護(hù)功能而不適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行使用）。TDA2030集成電路的第三個特點(diǎn)是外圍電路簡單，使用方便。在現(xiàn)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，外型如同塑封大功率管，這就給使用帶來不少方便。TDA2030在電源電壓±14V，負(fù)載電阻為4Ω時輸出14瓦功率（失真度≤0．5％）；在電源電壓±16V，負(fù)載電阻為4Ω時輸出18瓦功率（失真度≤0．5％）。該電路由于價廉質(zhì)優(yōu)，使用方便，并正在越來越廣泛地應(yīng)用于各種款式收錄機(jī)和高保真立體聲設(shè)備中。該電路可供低頻課程設(shè)計選用。磁帶錄音機(jī)磁帶錄音機(jī)運(yùn)算驅(qū)動級濾波器集成功率器TDA2030揚(yáng)聲器運(yùn)放電路功放電路圖2.5設(shè)計方案五LM1875電壓范圍為16～60V。不失真功率為20W（THD=0.08%），THD=1%時，功率可達(dá)40W（人耳對THD<10%一下的失真沒什么明顯的感覺），保護(hù)功能完善。其接法同TDA2030相似，也有單雙電源兩種接法。LM1875是美國國家半導(dǎo)體器件公司生產(chǎn)的音頻功放電路，采用V型5腳單列直插式塑料封裝結(jié)構(gòu)。如圖1所示，該集成電路在±25V電源電壓RL=4Ω時可獲得20W的輸出功率，在±30V電源8Ω負(fù)載獲得30W的功率，內(nèi)置有多種保護(hù)電路。廣泛應(yīng)用于汽車立體聲收錄音機(jī)、中功率音響設(shè)備，具有體積小、輸出功率大、失真小等特點(diǎn)。磁帶錄音機(jī)運(yùn)算驅(qū)動級濾波器磁帶錄音機(jī)運(yùn)算驅(qū)動級濾波器集成功率器LM1875揚(yáng)聲器運(yùn)放電路功放電路圖方案比較綜合上述方案比較分析：方案一采用的是甲類功率放大器。甲類功率放大器在整個輸入信號周期內(nèi)都有電流連續(xù)流過，它的優(yōu)點(diǎn)是輸出信號的失真比較小，但是輸出信號的動態(tài)范圍小，效率低。理想情況下其最高效率為50%。方案三采用的是乙類功率放大器。乙類功率放大器在整個輸入信號周期內(nèi)的導(dǎo)通時間為50%，它的優(yōu)點(diǎn)是在理想情況下效率可達(dá)78.5%，但缺點(diǎn)是會產(chǎn)生交越失真，增加噪聲。方案二采用的是甲乙類互補(bǔ)對稱電路，積甲乙類功率放大器的優(yōu)點(diǎn)于一身，同時克服交越失真。方案四采用TDA2030集成功率放大器，具有輸出功率大，失真小，且具有完善的熱保護(hù)電路等優(yōu)點(diǎn)。方案五采用了LM1875做為音頻功率放大器具有工作電壓范圍大16～60V，失真率小，輸出功率大等特點(diǎn)?；赥AD2030具有完善的熱保護(hù)電路，我選擇方案四3單元模塊設(shè)計3.1直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器，整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成。變壓器把市電交流電壓為所需要的低壓交流電。整流器把交流電變?yōu)橹绷麟姟＝?jīng)濾波后，穩(wěn)壓器再把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出。本設(shè)計主要采用直流穩(wěn)壓構(gòu)成集成穩(wěn)壓電路，通過變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓過程將220V交流電，變?yōu)榉€(wěn)定的直流電，并且實(shí)現(xiàn)電壓可在1.3-32.5V可調(diào)，輸出為集成功率放大器供電，另一端輸出再進(jìn)行穩(wěn)壓變換集成穩(wěn)壓器：集成穩(wěn)壓器的輸出電壓應(yīng)與穩(wěn)壓電源要求的輸出電壓大小及范圍相同。穩(wěn)壓器的最大電流，穩(wěn)壓器的輸入輸入電壓范圍為（3）式中，——最大輸出電壓——最小輸出電壓——穩(wěn)壓器的最小輸入輸出壓差——穩(wěn)壓器的最大輸入輸出壓差2、電源變壓器對于容性負(fù)載，變壓器副邊的輸出電壓與穩(wěn)壓器輸入電壓的關(guān)系為,在此范圍內(nèi)，越大，穩(wěn)壓器的壓差越大，一般取副邊電壓（4）副邊輸出電流有效值（5）——穩(wěn)壓電源最大輸出電流3、整流二極管及濾波電容整流二極管的反向擊穿電壓應(yīng)滿足：(6)濾波電容C的容量可估算：（7）則=11.3KΩ，使+可在11KΩ～12kΩ間調(diào)節(jié)。根據(jù)性能指標(biāo)，集成穩(wěn)壓器為驅(qū)動集成功放選用LM317，其輸出電壓范圍為Uo=1.3～37V，最大輸出電流Iomax為1.5A，為集成功率放大器設(shè)計的穩(wěn)壓電源電路如圖3-1-1所示圖3-1-1在圖3-1-1所示電路中，R1和Rw組成輸出電壓調(diào)節(jié)電路，輸出電壓Uo≈1.25×（1+Rw／R1）,R1取120～240Ω，流過R1的電流在空載時，最大為5～10mA，最大為50uA。根據(jù)R1=1.25/I，取R1=200Ω，則Uo=1.25（1+Rw／R1），通過計算后選取Rw為5kΩ精密繞線電位器。運(yùn)放穩(wěn)壓電源電路選用7812和7912集成穩(wěn)壓器件，用以為濾波所用集成運(yùn)算放大器提供正負(fù)12V電源來驅(qū)動進(jìn)行工作，運(yùn)放穩(wěn)壓電源電路如圖3-1-2所示。圖3-1-2兩塊電路中設(shè)置了保護(hù)電路，萬一輸入端短路，大電容放電會使集成穩(wěn)壓塊由于反電流沖擊而損壞，在穩(wěn)壓塊上加上二極管可使反相電流流向輸入端起到保護(hù)作用。3.2前置放大前置放大是指將音頻信號放大至功率放大器所能接受的范圍。前置級要求輸入阻抗高、輸出阻抗小、頻帶寬、噪聲小。前置放大器設(shè)計如圖3.2.1，運(yùn)算放大器組成一個反向放大電路，輸出電壓的表達(dá)式：(2)錄音機(jī)輸出的信號一般為100mv，已經(jīng)大于的要求，所以要對進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃p，否則輸出會產(chǎn)生失真。取R1=100KΩ，R2=39KΩ，以使錄音機(jī)輸出經(jīng)混合級后達(dá)到要求。圖3-2-1前置放大級電路3.3濾波器設(shè)計在實(shí)際的電子系統(tǒng)中，輸入信號往往是含有多種頻率成分的復(fù)雜信號，可能會混入各種噪音、干擾及其他無用頻率的信號，因此需要設(shè)法將有用頻率信號挑選出來，將無用的信號頻率抑制掉。完成此任務(wù)需要具有選頻功能的電路。對信號的頻率具有選擇性的電路稱為濾波器，它能使特定頻率范圍內(nèi)的信號順利通過，而阻止其他頻率信號通過。按照濾波器的工作頻率，濾波器可分為低通濾波器（LPF）、高通濾波器（HPF）、帶通濾波器（BPF）、帶阻濾波器（BEF）、全通濾波器（APF）。由阻容元件和運(yùn)算放大器組成的濾波器電路稱為RC有源濾波器。由于集成運(yùn)算放大器有限帶寬的限制，目前RC有源濾波器的工作頻率比較低，一般不超過1MHz。本設(shè)計共設(shè)有低通、帶通、高通三個濾波器以對輸入信號頻率進(jìn)行選擇，正常人耳能聽到的聲音范圍是20Hz-20kHz，所以不用考慮運(yùn)算放大器帶寬限制。本濾波器設(shè)計采用通用型集成運(yùn)算放大器uA741。uA74是通用高增益運(yùn)算放大器,內(nèi)部具有頻率補(bǔ)償、輸入、輸出過載保護(hù)功能，并允許有較高的輸入共模電壓和差模電壓，電源電壓適應(yīng)范圍較寬，是早些年最常用的運(yùn)放之一.這種集成運(yùn)放的主要參數(shù)如下：電源電壓±15V最大共模輸入電壓±13V最大輸出電壓±14V開環(huán)差模電壓增益106最大差模輸入電壓±30V差模輸入電阻2MΩuA741的引腳排列圖如圖3-3-1所示：圖3-3-1uA741引腳排列圖成品器件圖如圖3-3-2所示：圖3-3-2uA741成品器件圖3.3.2低頻濾波器電路圖3-3-3低頻濾波器電路3帶頻濾波器電路圖3-3-4帶頻濾波器電路3.3.3帶頻濾波器電路圖3-3-5帶頻濾波器電路3.4功率放大器電路功率放大器的作用是給音箱放大器的負(fù)載R（揚(yáng)聲器）提供一定的輸出功率。當(dāng)負(fù)載一定時，希望輸出的功率盡可能大，輸出的信號的線性失真盡可能的小，效率盡可能高。TDA2030簡介：TDA2030是一塊性能十分優(yōu)良的功率放大集成電路，其主要特點(diǎn)是上升速率高、瞬態(tài)互調(diào)失真小，在目前流行的數(shù)十種功率放大集成電路中，規(guī)定瞬態(tài)互調(diào)失真指標(biāo)的僅有包括TDA2030在內(nèi)的幾種。我們知道，瞬態(tài)互調(diào)失真是決定放大器品質(zhì)的重要因素，該集成功放的一個重要優(yōu)點(diǎn)。TDA2030的性能參數(shù)如下：參數(shù)名稱符號單位參數(shù)最小典型最大測試條件電源電壓VccV+、-6+-18靜態(tài)電流IccmA4060Vcc=+-18,RL=4歐輸出功率PoW1214RL=4,THD=0.5%W89RL=8,THD=0.5%頻響B(tài)WHz10140kPo=12w,RL=4,輸入阻抗RiM0.55開環(huán)，f=1kHz諧波失真THD%0.20.5Po=0.1-12W,RL=4電路特點(diǎn)：

[1].外接元件非常少。

[2].輸出功率大，Po=18W(RL=4Ω)。

[3].采用超小型封裝（TO-220）,可提高組裝密度。

[4].開機(jī)沖擊極小。[5].內(nèi)含各種保護(hù)電路，因此工作安全可靠。主要保護(hù)電路有：短路保護(hù)、熱保護(hù)、地線偶然開路、電源極性反接（Vsmax=12V）以及負(fù)載泄放電壓反沖等。3.4.2電路工作原理介紹圖3-4-1集成功率放大器電路圖圖3-4-1所示電路為音頻功率放大器原理圖,其中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(yīng)為10Hz~140KHz,輸出電流峰值最大可達(dá)3.5A。其內(nèi)部電路包含輸入級、中間級和輸出級,且有短路保護(hù)和過熱保護(hù),可確保電路工作安全可靠。RP是音量調(diào)節(jié)電位器,C1是輸入耦合電容,R1和R2是TDA2030同相輸入端偏置電阻。

R4、R5決定了該電路交流負(fù)反饋的強(qiáng)弱及閉環(huán)增益。該電路閉環(huán)增益為(R4+R5)/R4=(4.7+150)/4.7=33倍,C3起隔直流作用,以使電路直流為100%負(fù)反饋。靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定性好。

C4、C5為電源高頻旁路電容,防止電路產(chǎn)生自激振蕩。R6和揚(yáng)聲器內(nèi)阻稱為茹貝網(wǎng)路,用以在電路接有感性負(fù)載揚(yáng)聲器時,保證高頻穩(wěn)定性。D1、D2是保護(hù)二極管,防止輸出電壓峰值損壞集成塊TDA2030。4軟件設(shè)計本次實(shí)驗我使用了Protel99SE軟件和Wordoffice2003軟件來做音頻功率放大設(shè)計。從學(xué)習(xí)軟件到使用的過程中，讓我知道熟悉畫圖軟件及文字編輯的軟件的重要性。以后我會利用空余時間進(jìn)一步的學(xué)習(xí)有助于電子技術(shù)課程設(shè)計的軟件。運(yùn)用Protel99SE軟件所畫的圖見整個說明書。4.1Protel99SE軟件Protel99SE是ProklTechnology公司開發(fā)的基于Windows環(huán)境下的電路板設(shè)計軟件,是Protel系列產(chǎn)品中功能較為完備的版本。該軟件功能強(qiáng)大，人機(jī)界面友好，易學(xué)易用，仍然是大中院校電學(xué)專業(yè)必學(xué)課程，同時也是業(yè)界人士首選的電路板設(shè)計工具，是目前眾多EDA設(shè)計軟件中用戶最多的產(chǎn)品之一。.Protel99SE由兩大部分組成：電路原理圖設(shè)計（AdvancedSchematic）和多層印刷電路板設(shè)計（AdvancedPCB）。其中AdvancedSchematic由兩部分組成：電路圖編輯器（Schematic）和元件庫編輯器（SchematicLibrary）。4.2Word2003軟件Wordoffice2003軟件小型精干的辦公軟件Word表格、Word文字、Word演示。這次設(shè)計運(yùn)用Word進(jìn)行設(shè)計的說明。5系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)總圖根據(jù)設(shè)計需求將選擇電路的設(shè)計單元進(jìn)行組合，完成系統(tǒng)的原理圖設(shè)計。圖5-1音頻功放系統(tǒng)總圖6系統(tǒng)功能我設(shè)計的是音頻功率放大電路。音頻功率放大電路主要由前置級、音調(diào)級、功率放大級3部分組成。集成運(yùn)放是前置放大級，音調(diào)級采用數(shù)字音量控制，采用OCL互補(bǔ)對稱功率放大電路作為功率放大級。功率放大器是音響系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是將電源的能量按照輸入信號的控制轉(zhuǎn)化為輸出信號的能量，驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)聲。揚(yáng)聲器功率放大級濾波器信號輸入前置級揚(yáng)聲器功率放大級濾波器信號輸入前置級7.總結(jié)與體會本次設(shè)計是本人第一次自己動手設(shè)計東西。因而在許多