音频功率放大电路-音频放大电路

音频功率放大电路-音频放大电路 基于TDA2822的音频放大电路设计 模拟电子技术课程实训报告 课题名称 基于 TDA2822 的 音频放大电路设计 系 别 信息工程系 专 业 电子应用技术 班 级 电子班 学 号 学生姓名 指导教师 完成日期 2013年6月6日 广州科技贸易职业学院教务处制 目录 一、实训任务与要求 .................................................... 3 1、实训任务 ............................................................. 3 2、实训要求 ............................................................. 3 3、实训目的 ............................................................. 3 二、 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计与论证 .................................................... 3 三、单元电路设计 ........................................................ 4 1(音量调节电路 ...................................................... 4 2、tda2822 ................................................................. 5 四、总原理图及元器件清单 ........................................ 6 1、总原理图如下: .................................................. 6 2(元件清单 ............................................................. 6 五、硬件焊接与调试 .................................................... 7 六、结论与心得 ............................................................ 9 七、参考文献 .............................................................. 10 基于TDA2822的音频放大电路设计 一、实训任务与要求 1、实训任务 选择采用TDA2822、双联电位器、音频接插件及电阻电容等设计一个简单的音频功放，实现音频放大及音量、音调(高低音)调节功能。 2、实训要求 (1)、综合运用电子技术课程中所学的理论知识完成课程设计。 (2)、通过查阅手册和上网查看文献资料，提高独立分析和解决实际问题的能力。 (3)、熟悉常用电子器件的类型和特征，并掌握合理选用的原则。 (4)、学会电子电路的设计、焊接与调试技能。 3、实训目的 选择变压器、整流二级、滤波电容、合成变压器来设计直流稳压电源为音频放大器提供电源，选择芯片、耦合电容、耦合电阻等 组成放大器，完成全电路理论设计。 二、方案设计与论证 根据技术指标和已知条件，选择合适的选择合适的，如:OCL、OTL或BTL电 路。完成对高保真音频功率放大器的设计、装配与调试。 方案一:采用uA741运算放大器设计电路，uA741通用高增益运算通用放大器， 早些年最常用的运放之一，应用非常广泛，为双列直插8脚或圆筒8脚封装。工作电压?22V，差分电压?30V，输入电压?18V，允许功耗500mW。 方案二:采用D2822双声道音频功率放大器，功率不是很大但以可以满足您的听觉要求了，且有电路简单、音质好、电压范围宽等特点。 方案选取:uA741是通用放大器，性能不是很好，满足一般需求，而d2822是一块低电压、是一块低电压，所以选择d2822。 三、单元电路设计 1(音量调节电路 调音单元电路如图3.1所示 图3.1 该电路调试方便、信噪比高，目前大多数的普及型功放都采用这种电路。图中C1、C2的容量大于C3，对于低音信号C1与C2可视为开路，而对于高音信号C3可视为短路。低音调 节时，当W1滑臂到左端时，C1被短路，C2对低音信号容抗很大，可视为开路;低音信号经过R1、R3直接送入运放，输入量最大;而低音输出则经过R2、W1、R3负反馈送入运放，负反馈量最小，因而低音提升最大;当W1滑臂到右端时，则刚好与上述情形相反，因而低音衰减最大。不论W1的滑臂怎样滑动，因为C1、C2对高音信号可视为是短路的，所以此时对高音信号无任何影响。高音调节时，当W2滑臂到左端时，因C3对高音信号可视为短路，高音信号经过R4、C3直接送入运放，输入量最大;而高音输出则经过R5、W2、C3负反馈送入运放，负反馈量最小，因而高音提升最大;当W2滑臂到右端时，则刚好相反，因而高音衰减最大。不论W2的滑臂怎样滑动，因为C3对中低音信号可视 为是开路的，所以此时对中低音信号无任何影响。普及型功放一般都使用这种音调处理电路。使用时必须注意的是，为避免前级电路对音调调节的影响，接入的前级电路的输出阻抗必需尽可能地小，应与本级电路输入阻抗互相匹配。 2、 tda2822 2(元件清单 四、总原理图及元器件清单 1、总原理图如下:(图4.1) 表1 元器件清单 广州科技贸易职业学院课程实训报告 图4.1 五、硬件焊接与调试 1、焊接是一项最重要的工序为确保电路的导电性能良好正常工作，所以在焊接时注意以下几点: (1)所有元器件引线均不得从根部弯曲。因为制造工艺上的原因，根部容易折断。一般应留1.5mm以上。 (2)弯曲一般不要成死角，圆弧半径应大于引线直径的1,2倍。 (3)贴板插装稳定性好，插装简单;但不利于散热，且对某些安装位置不适应。悬空插装，适应范围广，有利散热，但插装较复杂，需控制一定高度以保持美观一致。 (4)安装时不要用手直接碰元器件引线和印制板上铜箔。 (5)插装后为了固定可对引线进行折弯处理。 (6)焊接时尽可以能掌握好焊接时间，能快则快烙铁头应修整窄一些这样焊接 时不会碰到相邻的焊接点，焊接的时间一般不能超过3秒，尤其是集成芯片。 (7)在瓷介电容、电解电容及三极管等元件立式安装时，引线不能太长，否则降低元器件的稳定性;但也不能过短，以免焊接时因过热损坏元器件。一般要求距离电路板面2mm，并且要注意电解电容的正负极性，以免插错。 (8)集成芯片TDA2822在焊接时一定要看清缺口方向，和电路板上缺口方向要一致，要弄清引线脚的排列顺序，并与线路板上的焊盘引脚对准，核对无误后，先对角焊接1.8脚用于固定集成块，然后再重复检查，确认后再焊其余脚位。焊接完后要检查有无虚焊，漏焊等现象，确保焊接质量。 (10)焊接完毕后，在接通电源前，先用万用表仔细检查各管脚间是否有短路，虚焊、漏焊现象。 如 图 是 焊 接 好 的 电 路 实 物 图 : 六、结论与心得 通过这次TDA2822的音频放大电路的制作，让我提高了自己的焊接水平。在制作过程中，我积极查阅相关资料，期间认识和熟悉了DTA2822功放芯片。遇到问题的时候通过万用表仔细检电路故障，让我敢于大胆尝试自己找出电路故障。 积极和同学交流，在老师的帮助下最终完成了自己的电子小产品的制作与调试。期间查阅了部分资料，也丰富了我的知识储备。另外，通过这次设计过程，培养了严谨的工作作风，养成了良好的工作习惯，培养了争取的劳动观与人生观，也培养了团队集体精神，培养了我们的实践能力和创新精神。加强了我们的动手能力，对于问题的分析能力，以及发现并解决问题的能力。同时，也让我从中体会到了要不断动手，不断向他人学习，这样才能不断提高自己，在挫折中不断磨练自己，坚持就是胜利。在于老师的沟通中，让我了解到了许多电子制作的常识和专业的前景。我相信在老师的帮助下，我会朝着自己兴趣所在方向继续努力不断进步、反思。 、曹天汉 模拟电子技术(第2版)北京师范大学出版社 、余道 衡，徐承和.电子电路手册[M] 七、参考文献12 LM386电路原理音频放大器LM386 电路原理 LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。 一、 LM386内部电路 LM386内部电路原理图如图所示。与通用型集成运放相类似，它是一个三级放大电路。 第一级为差分放大电路，T1和T3、T2和T4分别构成复合管，作为差分 放大电路的放大管;T5和T6组成镜像电流源作为T1和T2的有源负载; T3和T4信号从管的基极输入，从T2管的集电极输出，为双端输入单端 输出差分电路。使用镜像电流源作为差分放大电路有源负载，可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电容的增益。 第二级为共射放大电路，T7为放大管，恒流源作有源负载，以增 大放大倍数。 第三级中的T8和T9管复合成PNP型管，与NPN型管T10构成准互 补输出级。二极管D1和D2为输出级提供合适的偏置电压，可以消除 交越失真。 引脚2为反相输入端，引脚3为同相输入端。电路由单电源供电， 故为OTL电路。输出端(引脚5)应外接输出电容后再接负载。 电阻R7从输出端连接到T2的发射极，形成反馈通路，并与R5和R6构成反馈网络，从而引入了深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定的电压增益。 二、 LM386的引脚图 LM386的外形和引脚的排列如右图所示。引脚 2为反相输入端，3为同相输入端;引脚5为 输出端;引脚6和4分别为电源和地;引脚1 和8为电压增益设定端;使用时在引脚7和地 之间接旁路电容，通常取10μF。 LM386的外形和引脚的排列如右图所示。引脚2为反相输入端，3为同相输入端;引脚5为输出端;引脚6和4分别为电源和地;引脚1和8为电压增益设定端;使用时在引脚7和地之间接旁路电容，通常取10μF。 查LM386的datasheet，电源电压4-12V或5-18V(LM386N-4);静态消耗电流为4mA;电压增益为20-200dB;在1、8脚开路时，带宽为300KHz;输入阻抗为50K;音频功率0.5W。 尽管LM386的应用非常简单，但稍不注意，特别是器件上电、断电瞬间，甚至工作稳定后，一些操作(如插拔音频插头、旋音量调节钮)都会带来的瞬态冲击，在输出喇叭上会产生非常讨厌的噪声 查LM386的datasheet，电源电压4-12V或5-18V(LM386N-4);静态消耗电流为4mA;电压增益为20-200dB;在1、8脚开路时，带宽为300KHz;输入阻抗为50K;音频功率0.5W。 尽管LM386的应用非常简单，但稍不注意，特别是器件上电、断电瞬间，甚至工作稳定后，一些操作(如插拔音频插头、旋音量调节钮)都会带来的瞬态冲击，在输出喇叭上会产生非常讨厌的噪声。 1、通过接在1脚、8脚间的电容(1脚接电容+极)来改变增益，断开时增益为20dB。因此用不到大的增益，电容就不要接了，不光省了成本，还会带来好处--噪音减少，何乐而不为, 2、PCB设计时，所有外围元件尽可能靠近LM386;地线尽可能粗一些;输入音频信号通路尽可能平行走线，输出亦如此。这是 死理，不用多说了吧。 3、选好调节音量的电位器。质量太差的不要，否则受害的是耳朵;阻值不要太大，10K最合适，太大也会影响音质，转那么多圈圈，不烦那～ 4、尽可能采用双音频输入/输出。好处是:“，”、“,”输出端可以很好地抵消共模信号，故能有效抑制共模噪声。 5、第7脚(BYPASS)的旁路电容不可少～实际应用时，BYPASS端必须外接一个电解电容到地，起滤除噪声的作用。 工作稳定后，该管脚电压值约等于电源电压的一半。增大这个电容 的容值，减缓直流基准电压的上升、下降速度，有效抑制噪声。在器件上电、掉电时的噪声就是由该偏置电压的瞬间跳变所致，这个电容可千万别省啊～ 6、减少输出耦合电容。此电容的作用有二:隔直 + 耦合。隔断直流电压，直流电压过大有可能会损坏喇叭线圈;耦合音频的交流信号。它与扬声器负载构成了一阶高通滤波器。减小该电容值，可使噪声能量冲击的幅度变小、宽度变窄;太低还会使截止频率(fc,1/(2π*RL*Cout))提高。分别测试，发现10uF/4.7uF最为合 适，这是我的经验值。 7、电源的处理，也很关键。如果系统中有多组电源，太好了～由于电压不同、负载不同以及并联的去耦电容不同，每组电源的上升、下降时间必有差异。非常可行的方法:将上电、掉电时间短的电源放到+12V处，选择上升相对较慢的电源作为LM386的Vs，但不要低于4V，效果确实不错～ LM386典型应用电路 电压增益为20的放大电路 : 电压增益为50的放大电: 电压增益为200的放大电路 : 在85Hz具有6db增益的放大电路 : 用于收音机中的 LM386: 音频放大电路的设计目录 音频放大电路仿真设 计................................................................................................ 2 1、设计指标要 求...................................................................................................... .... 2 2.设计目 的..................................................................................................................... 2 3、设计步骤和方 法...................................................................................................... 2 3.1、选择电路方 案................................................................................................ 2 3.2、计算元器件参 数............................................................................................ 3 3.2.1确定电源电压 EC: ............................................................................... 3 3.2.2确 定T2的集电极电阻R8和静态工作电流ICQ2。 .............................. 3 3.2.3确定T2发射级电阻 R9: ...................................................................... 4 3.2.4确定晶体 管T2: .................................................................................... 4 3.2.5确定T2的基极电阻R6和 R7 ................................................................ 4 3.2.6确定T1的静态 工作点 ICQ1;VCEQ ...................................................... 5 3.2.7确定 T1管的集电极电阻R3，发射级电阻R4、 R5: ................... 5 3.2.8 选择T1 管 ............................................................................................... 6 3.2.9T1管基极电阻的选 取 ............................................................................. 6 3.2.10耦合 电容和旁路电容的选取............................................................... 6 3.2.11反馈网络的计 算 ................................................................................... 7 3.2.12.电路仿真图 形....................................................................................... 7 4、验证论 参„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ .„.9 4.1验证静态工作 点............................................................................................... 9 4.2.计算输入电阻、输出电阻及电压放大倍 数................................................. 10 5、对收音机放大电路的调 试 ................................................................................................ 11 6(组装收音机的心得体 会........................................................................................ 11 7、元 器件 表................................................................................................................ 11 音频放大电路仿真设计 1、设计指标要求 1、电压放大倍数:Au=102 2、最大输出电压:Uo=1.5V 3、频率响应:30Hz—30kHz 4、输入电阻:ri15kΩ 5、失真度:γ10% 6、负载电阻:RL=2kΩ 7、电源电压:EC=12V 2.设计目的 1. 培养大学生的实际动手操作能力 2 .训练毅力和耐心。培养独立思考问题的能力。 3. 较好的把握电路图和实物之间的联系，并且会对造电路图检测错误。 4.根据原理图测出静态工作点。 3、设计步骤和方法 3.1、选择电路方案 收音机放大电路的框图如下图所示，根据设计指标选择多级放大电路，前置级为电压放大，输出级为功率放大，主要对前置级电压放大电路进行设计。 电路方案的确定包括以下几个方面内容: (1)根据总的电压放大倍数，确定放大电路的级数。 (2)根据输入、输出阻抗及频率响应等方面的要求，确定电路晶体 管的组态及静态偏置电路。 (3)根据三种耦合方式的不同特点，选用适当的耦合方式。 3.2、计算元器件参数 3.2.1确定电源电压EC: 为保证输出电压幅度能达到指标要求，电源电压EC应满足如下要求: 如图1: 图1 电源电压波形 EC2Vom+VE+VCES Vom 2 Vo式中:Vom为最大输出幅度 VE为晶体管发射级电压，取VE=3V。 VCES为晶体管饱和压降，取VCES=1V。 指标要求的最大输出电压Vo=1.5V，给定电源电压EC=12V，可以满足要求。 3.2.2确定T2的集电极电阻和静态工作电流: 因为这级的输出电压比较大，为使负载得到最大幅度的电压，静态工作点应设在交流负载线的中点。如图2所示。 由图可知，Q点在交流负载线的中点，因此的T2静态工作点满 足下列条件。 由图2:EC,VCEQ2 ICQ2R8,VE2 R8 RL 由图3:VCEQ2 ICQ2 (1-1) R8,RL 在晶体管的饱和区和截止区，信号失真很大，为了使电路 不产生饱和失真和截止失真，VCEQ2应满足: 2 图2 T2静态工作点 VCEQ2Vom+VCES (1-2) 由(1-1)式消去ICQ2并将(1-2)式代入可得: E, VE2 R8 (C,2)RL Vom,VCES 取VE=3V;VCES=1V 则: 12,3 R8 (,2) 2k 1.6k 3 2,1 取R8=1.6k 图3 静态工作点分析图 由(1-1)式消去VCEQ2可得: EC,VE212,3 ICQ2 3.12mA R8,R8//RL(1.6,1.6//2)k 3.2.3确定T2发射级电阻: VE23VR 0.96 9 ICQ23.12mA 取R9=0.96k 3.2.4确定晶体管T2: 选取晶体管时主要依据晶体管的三个极限参数: BVCEO晶体管c-e间最大电压VCEmax(管子截止时c-e间电压) ICM晶体管工作时的最大电流ICmax(管子饱和时c-e回路电流) PCM晶体管工作时的最大功耗PCmax 由图1可知:IC2最大值为IC2max=2ICQ2 VCE的最大值VCE2max=EC 根据甲类电路的特点，T2的最大功耗为:PCmax=VCEQ2?ICQ2 因此T2的参数应满足: BVCEOEC=12V ICM2ICQ2=6.24mA PCM VCEQ2?ICQ2=9.73mW 选用S9011，其参数满足，β=100 3.2.5确定T2的基极电阻: 在工作点稳定的电路中，基极电压VB越稳定，则电路的稳定性越好。因此，在设计电路时应尽量使流过R6和R7的IR 大些，以满足IRIB的条件，保证VB不受IB变化的影响。但是IR并不是越大越好，因为IR大，则R6和R7的值必然要小，这时将产生两个问题:第一增加电源的消耗;第二使第二级的输入电阻降低，而第二级的输入电阻是第一级的负 而第二级的输入电阻是第一级的负载，所以IR太大时，将使第一级的放大倍数降低。为了使VB稳定同时第二级的输入电阻又不致太小，一般计算时，按下式选取IR的值: IR=(5~10)IBQ 硅管 IR=(10~15)IBQ 锗管 本电路T2选用的是硅管，取IR=5IBQ 则:由图4知: VBQ2VE2,VBE23,0.7 R7 23.7k II5IRRBQ E R6 C,R7 53.2k I R 取:R7=24kΩ;R6=51kΩ。 图4 基极电阻R6.R7分析图 3.2.6确定T1的静态工作点 : 因为第一级是放大器的输入级，其输入信号比较小，放大后的输出电压也不大。所以对于第一级，失真度和输出幅度的要求比较容易实现。主要应考虑如何减小噪声，因输入级的噪声将随信号一起被逐级放大，对整机的噪声指标影响极大。晶体管的噪声大小与工作点的选取有很大的关系，减小静态电流对降低噪声是有利的，但对提高放大倍数不利。所以静态电流不能太小。在工程计算中，一般对小信号电路的输入级都不详细计算，而是凭经验直接选取: ICQ1=0.1~1mA 锗管 ICQ1=0.1~2mA 硅管 VCEQ=(2~3)V 取Icq1=0.5mA,VCE1=3V 3.2.7确定T1管的集电极电阻，发射级电阻 : 由图5知: EC,(VE1,VCEQ1) R3 ICQ1 取:VE1=3V;VCEQ1=3V;ICQ1=0.5mA 则: 图5电阻R3.R4.R5分析图 ( 12 ,3,3)V R 12k 3 0.5mA 取:R3=12kΩ V 3 V E1 R4,R5 6k ICQ10.5mA 取:R4=56Ω;R5=5.6kΩ 3.2.8选择T1管 选取原则与T2相同:BVCE0,Ec=12V; ICM,0.5mA; PCM ,1.5mW，根据现有条件选用S9011。β=100 3.2.9T1管基极电阻的选取 取:IR=5IBQ，VE1=3V 由图6知; V,VBE13,0.7 R2 E1 148k 0.55IBQ1 5 100 EcR1 ,R2 332k IR 取:R1=150kΩ;R2=330kΩ 图6 T1管电阻选取分析图 3.2.10耦合电容和旁路电容的选取 各级耦合电容及旁路电容应根据放大器的下限频率f1决定。这些电容的容量越大，则放大器的低频响应越好。但容量越大电容漏电越大，这将造成电路工作不稳定。因此要适当的选择电容的容量，以保证收到满意的效果。在设计时一般按下式计算: 1 C1 2 fl(Rs,ri1) 其中:RS是信号源内阻，ri1是第一级输入电阻。 1 C2 2 fl(r01,ri2) 其中:r01是第一级输出电阻，ri2是第二级输入电阻。 1 C3 2 fl(ro2,RL) 其中:ro2是第二级输出电阻。 1 Ce1 2 fl(rbe1, 1R4) 2 Ce2 2 fl(Rb,rbe2)其中:Rb=R6//R7//R3 由于这些公式计算繁琐，所以在工程计算中，常凭经验选取: 耦合电容:2~10μF 发射极旁路电容:150~200μF 现在用第二种方法确定C1、C2、C3、Ce1和Ce2 取:C1=C2=C3=10μF Ce1=Ce2=100μF 电容器的耐压值只要大于可能出现在电容两端的最大电压即可。 3.2.11反馈网络的计算 根据深反馈的计算方法，由图7知: 图7 深反馈网络图 ? Rf,R41 vf 102 Fvv R4 ? Rf=102R4-R4?5.656kΩ 取: Rf=5.6kΩ，Cf=10μF 3.2.12.电路仿真图形 用EWB做出仿真电路如下图所示: 图8 EWB电路仿真图 利用双踪示波器 作出电路的仿真波形图如下: 图9 EWB示波器输入输出波形图 图10 幅频响应波形图 幅频特性:随着频率的增加，电压幅值也随之增加。当频率达到100Hz时，幅值趋于稳定。 相频特性:随着频率的增加，相位角随之减小。当频率达到1KHz时，相位角趋于稳定。 4.设计参数的理论验证 4.1验证静态工作点 两管直流通路如下图: 图11 T1管静态图 图12 T2管静 态图 根据静态分析图静态工作点图分析如下 求得T1,T2管的静态工作点 IB1=0.005mA IC1=0.5mA VCE1=3V IB2=0.0312mA IC2=3.12mA VCE2=3.12V 4.2.计算输入电阻、输出电阻及电压放大倍数 根据小信号模型法，其小信号模型图 如下 图13 电路小信号模型图 计算输入电阻、输出电阻及电压放大倍数 ri1= 5.23KΩ ro1=12KΩ Av1=-126.6 ri2=0.98KΩ ro2=1.25Ω Av2=-120.2 Av=Av1?Av2 =15217.3 AV AVf 1,AVF Avf=99.3 rif (1,AVF)ri 5.对收音机放大电路的调试 1.在电路;连接完成后，把电池安装上，把开关打开，开始没有声音，调节后发现出声。 2.调节频率信号比较强烈后，再调节T3中周信号由小到大，再调节中周(绿)信号由小到大，然后调节中周信号(黑)信号由小到大即可。 3.调节到不同的频率，反复操作2步骤2---3次。 6(组装收音机的心得体会 通过音频放大电路设计学到如何设计电路，使我能更灵活应用所学的知识组装收音机，培养我们的动手能力。 通过老师的认真讲解，我深刻的认识到这门课对我们很重要，尤其我们学的是工科，动手能力对我们来说十分的重要，这不仅对我们学习这门课更重要的是在我们工作过程中动手能力是很重要的。通过这次收音机安装，调试过程使我初步体会到电子技术这一门课程对于我们专业的重要，更重要的是我们要在这个过程中 养成严谨认真的态度。在这之中我们要时刻保持我们的注意力，认真的听老师讲的每一个细节问题，比如电容的正负极，二极管的阴阳极的问题。让我知道了做设计时我们应该保持认真的，严谨的态度，不急不躁，认认真真做好每一步。 电工电子实习，是以学生自己动手为主，掌握一定操作技能并亲手设计、制作、组装与调试为特色的课程。它将基本技能训练，基本工艺知识和创新启蒙有机结合，培养我们的实践能力和创新精神，。作为信息时代的大学生，仅会操作鼠标是不够的，基本的动手能力是一切工作和创造的基础和必要条件。这不仅在学习中是我们更深刻的了解理论知识，也能使我们在以后的工作中能够熟练的运用我们所学的知识。 从这次学习中所得的收获: 1、对电子工艺的理论有了初步的系统了解。我们了解到了焊普通元件与电路元件的技巧、收音机的工作原理与组成元件的作用等。这些知识不仅在课堂上有效，对以后的电子工艺课的学习有很大的指导意义，在日常生活中更是有着现实意义。 2、对自己的动手能力是个很大的锻炼。在实习中，我锻炼了自己动手技巧，提高了自己解决问题的能力。比如在焊接芯片时， 怎样把那么多脚分开焊接对我们来说是个难题，可是经过训练后，我们做到了。虽然在实习中会遇到难题，但是从中我学到了很多，使自己的动手能力也有所提高，我想在以后的理论学习中我就能够明白自己的学习方向，增进专业知识的强化 7、AM收音机元器件表 简介:该收音机我六管中波段袖珍式半导体收音机，体积小巧，外形美观，音质清晰，洪亮，噪声低，携带使用方便，采用可靠的全硅管线路，具有机内磁 性天线，收音效果良好，并设有外界耳机插口。 表(1) 表(2) 音频放大电路设计本次作业，我们主要可以通过设计以下几个部分来实现对音频信号的无失真放大。 一、前置放大部分 首先，我们需要对信号进行带通滤波，我们采用2阶巴特沃思低通滤波器串联一个巴特沃思高通滤波器实现对信号的滤波，得到频率在20HZ到20KHZ之间的信号。 电路图如下: 仿真结果的波特图入下: 可以看出，在19.802KHZ，和20.309HZ处增益下降为5DB左右，而中频带处则增益为8DB，因此下降了正好了3DB。 其中参数的选择总体规则为电阻值最好为几十到几百K，因为电阻元件的精度不高，若取很小的值，则会引起很大的实际误差， 严重影响设计后电路的实际运行，电容的选择一般在几百pf到100uf以内，具体选择如下: 低通滤波部分:截止频率Wc=(20*2*pi)KHZ，留有一定的余地选择为(21*2*pi)KHZ，由Wc=1/(R*C),我们取电容C=100pf，则得出R=76k，同理高通滤波部分:R=84k，C=0.1uf。 然后，由模拟巴特沃斯滤波器可知Avf=1.586，由1+R5/R6=1.586，同时为了尽量保持运放的同相端与反向端的输入电流一致，我们需要进行阻抗匹配，低通部分，同相端为2*R1=150k，我们选择R5=117.2k选择标称值118k,R6=200k。 最后检查输出电阻:由于一般运放的输出电阻很小为几十欧，而此电路对输入电阻要求也不高，我们可以选择常规的3288RT型的运放。 其次，对其进行线性放大，电路图如下: 其中由于在带通滤波部分放大了1.586 =2.515倍，(查巴特沃斯表可知)，在此部分，我们只需对小信号放大200左右即可。然而若采用一级放大，则由运放的增益带宽积=2M(定值)可知，此时的信号只能通过10k以下的部分，然而显然不符合任务要求，因此，我们采取两级放大的思路。即有上图，其中一级放大1+R1/R2=51倍，二级放大1+R4/R3=41倍，级联后总体增益为200倍左右。此时，允许通过的最高频率为40kHZ，满足任务要求。 二、带阻网络设计 根据题意，我们需要设计一个中心频率为10kHZ的带阻网络，要求最大衰减为-10DB。 因此，我们采取双T带阻滤波电路，电路图如下: 由节点导纳法，不难导出Wc=1/(R1*C2),其中C2=C3=0.5C1，R1=R2=2R3，其中Wc即为中心频率，则有10*2*pi kHZ=1/(R1*C2);根据选择原则可令C2=1nf，则有R1=16K ，其次由于 根据此网络的传递函数，若需只有负实部极点(稳定)，则必须使负反馈增益2。我们可以选择Avf=1.5，又Avf=(R4+R5)/R5,则可选R4=100K,R5=200K。 仿真结果如下: 可以看出，在10KHZ，附近下降了27DB，满足了题目要求 三、数字幅频均衡设计 首先，我们需要对信号进行处理，使得-5~5V(由前两部分放大得来)的交流信号转换成0~10v或者压缩成0~5v的直流信号,然后才能进行A/D转换。 所以可设计下图: 其中，1级放大器为射极跟随，2级为电位提升电路。 然后设计用VHDL语言在FPGA上写一个ADC控制器来进行读取AD采样后的数据。由于采样信号的频率范围是20hz~20KHZ,根据香农采样定理，为了防止频谱混叠，采样速率应大于2倍的信号最高频率，然而采样速率越高，则越精确，但是相同条件下的滤波器设计的阶数越高，增加了滤波器的空间与时间复杂度，所以应该权衡考虑，因此，我们选择了型号为ADS8505的16位模数转换器，其中ADS在整个温度工作范围内采样频率均为250KHZ，远大于信号最高频率的2倍(40khz)，其中，其时序图如下: 可以很清楚的知道，当R/C,变低后的tpd时间段后，BUSY信号跳变为低，表示开始转换，当恢复为高时表示转换结束，DATA BUS上的数据输出所存，供CPU读取，CPU读取完数据以后，则立马再发送一个R/C的下降沿，接着开始第二次转换。 其中电路图如下:24 管脚为R/C输入端子，2,5接模拟地，4端加一个缓冲电容接地。27管脚接+5v电源。 根据上述的ADS8505可以较清晰的用VHDL写出此控制器的状态机。如下图: 然后，我们设计数字幅频均衡器。 由于IIR比FIR具有优势，特别是采用VHDL实现的IIR更是具有多种优越性。我们可以设计2阶IIR的直接1型滤波器，脉冲响应函数: 其结构如下图: 公式推导如下: 其中，d=-cos(Fc),H0=V0-1;其中V0为放大倍数，Fc为中心频率，bw为带宽，Fs为采样频率，可知 b0=1+(1+a)*H0/2; b1=d*(1-a); b2=-a-(1-a)*H0/2; a0=1;a1=b1;a2=-a; 其中H0，V0均可又上面分析得出。 最后设计一个DAC控制电路，以及用VHDL对DAC写一个控制器。控制电路如下: 四、功率放大电路设计 最后，我们需要将FPGA输出的信号进行功率放大，用来启动一个音频的扬声器。由于题目要求的用分立元件搭建一个功率放大电路，并且要求效率高于60%，我们就只能采用甲乙类互补功率放大器。我们采用晶体管与集成运算放大器构成的OCL功率放大器，如下图: 其中，运算放大器为放大作用，将同相端输入的信号进行放大。R12，R11=1，作用是使电流实现负反馈，使得管子处于负反馈状态，使得工作点稳定，由于后级电路均为设计跟随器，放大倍数都近似为1。根据题目要求，输出功率为8w，负载电阻为8，则，输出电压为SQRT(2*po*Rl)=11.31V,并且，留有一定的裕度，选择VCC=20V,VEE=-20V，此时需要根据管子的最大集射电压，最大管耗，最大集电极电流来选择BJT，mos管。此电路的外环反馈由输出电压引入，这样可以使得使用者通过调节RP1来调节电压增益，并且实现电路的负反馈，使得静态时，运放的输出一定为0。而RP2的作用是使复合管处于微导通的状态，使得电路的交越失真最小化，因此，我们可以通过合理的选择RP2，R5的阻值来调节 管子的微导通状态。而由于此级放大倍数=4，可以确定出R4，RP2。再取静态工作电流为1mA，可以算出RP2，R4。通过以上的叙述，我们可以得出上图中的元件参数。 简单音频放大电路模电课程设计: 简单的音频放大电路 指导教师:王学忠 学院:物理电气信息学院 班级:电子一班 学号:111111111111 姓名:阳仔 简单音频放大电路 一、实验目的 1. 掌握简单音频放大电路性能和特点。 2. 学会放大器静态工作点的调试方法，分析静态工作点对放大器性能及对放大电路输出信号失真情况的影响。 3. 学会判断三极管b.c.e极 二、实验电路图 图一 固定偏置 ，电源电压对偏置电流影响很大 基本的共发射极电路 图二 偏置接入负反馈，放大倍会变小，电源电压对偏置电流影 响较小。 电压负反馈接法,适应电压范围更宽。 此种属甲类放大类，效率最低，特点是简单。低电压电路中极少采用，因为输出功率太小，实际多用在功率推动电路，同时放大电压和电流。 三、实验器材 电阻R1 10K,R2 470,电容C1 10uF,V1，喇叭，坏耳机线，BJT管S8050,电池 两节 四、实验原理 1.输入端不能直接接话筒 输入端不能直接接话筒，由于话筒提供的信号非常弱，一般要在前面加一个前置放大器(如下图所示)，不能用上图简单音频放大电路直接放大。 如要用话筒输入则应采用三级结构:前置放大级、音调控制级、 功率放大级。 当时领原件时，领了个话筒装上根本不出声，才知道简单音频放大电路输入端只能加载信号较强的音频信号，故只能取一个耳机线，耳机线一端接手机，另一端接简单音频放大电路的输入端，用手机播放音乐，在输出端喇叭才放出音乐信号。 2.音乐信号失真的调节 用手机输入音乐信号后，经过简单音频放大电路放大后，声音信号变花，出现了信号失真，故在放大电路中加入了一个电位器，调节电位器电阻的大小，使在最大输出时信号不失真即可，减小R可输出的功率。如果有万用表，可将C极电压调为电源电压的1/2左右。 通过调节电位器，c极电压调为0.5伏，再用手机和耳机线输入音乐信号，经过简单音频放大电路的放大后，音乐的清晰度明显提高。 3.三极管极性的判断 一、判断三极管b极 对于NPN型三极管，用黑表笔接某一个电极，红表笔分别接另外两个电极，若测量结果阻值都较小，交换表笔后测量结果阻值都较大，则可断定第一次测量中黑表笔所接电极为基极;如果测量结果阻值一大一小，相差很大，则第一次测量中黑表笔接的不是基极，应更换其他电极重测。 二、判断三极管发射极e和集电极c 三极管基极确定后，通过交换表笔两次测量e、c极间的电阻，如果两次测量的结果应不相等，则其中测得电阻值较小的一次为红表笔接的是e极，黑表笔接的是c极。 对于PNP型三极管，方法与NPN管类似，只是红、黑表笔的作用相反。 五、设计总结 通过本实验课程设计，能够实现将手机中音乐信号经过耳机线输 入设计的简单音频放大电路放大后在小喇叭能放出略有失真的放大的音乐信号，加入电位器调节静态工作点后，能将音乐调清晰。 音频放大电路设计报告音频放大电路设计报告 设计目的: 运用集成运算放大器和集成功率放大器，设计一个具有高保真的小型音箱音频放大电路。 总体设计框图: 图1 设计电路图: 图2 电路原理: 一、稳压电源 图3 如图3所示电源电路包含整流电路，滤波电路和稳压电路三部分，主要采用7815三端集成稳压器。，220V交流电经变压器降压后，通过由D1、D2、D3和D4构成的全桥整流，采用双电源输出，经三端稳压器7815稳压。 图中，C1和C2 、C3和C4起旁路高频干扰信号作用，C5和C6则是改善负载瞬态响应，二极管D5和D6则是利用其限幅功能保护稳压器，防止输入短路时损坏稳压器。仿真测试可得一组正负15V稳压电源。 二、前置放大电路 图4 前置放大电级主要完成小信号的电压放大任务。由于从信号源输出的信号非常微弱，仅5—230mV，一般在音调控制器前面加一个前置放大器，只有经过放大后，这种信号才能激励功率放大器，以实现对音频信号的放大。 电路如图4所示，电路采用LF353比例运算放大电路对微弱的音频信号进行放大，在输人端加载电压信号后，C7、R4组成低通滤波器，减少杂波干扰，降低输入电阻，匹配阻抗的作用。 对于前置放大的设计，第一级、第二级的前置增益预置为15倍 音量控制电路是通过调节电位器来实现的，其与运放组成电压并联负反馈。电位器RV1置于最左端时对信号衰减最低，反之对信号衰减最大。 三、功率放大电路 图5 如图5所示。为了克服交越失真，由R7、R8和二极管D7、D8共同组成两对复合管偏置电路，使输出级工作于甲乙类状态。R7与R8的阻值要根据输出级输出信号的幅度和前级运算放大器的最大允许输出电流来考虑。同时应保持电路的对称性。 其中由晶体管Q1、Q2、Q3、Q4组成的复合管为功率输出级。三极管Q1,Q2都是NPN管，仍组成NPN管，Q3,Q4为不同类型的晶体管，所组成的复合管的种类由第一只管子决定，即为PNP管。由运算放大器组成反相放大器。最终形成由集成运算放大器构成的典型的OCL功率放大器。 仿真结果: 图6 仿真测试 如图6所示在加上正弦信号之后电路的输出波形除了波幅明显变大，并有一定延时，基本达到了无失真放大输出的目的。 问题分析: 由于不熟练如何通过protues对电路进仿真测试，所以电路在信号、功率放大方面可能还存在某些纰漏，最大不足在于无法模拟在有干扰的环境下电路的工作的情况从而直观的查看电路去噪滤波的性能。 音频功率放大电路设计 课程设计 说明书 房屋状态说明书下载罗氏说明书下载焊机说明书下载罗氏说明书下载GGD说明书下载 题 目: 音频功率放大电路设计 课程名称: 模拟电子技术 学 院: 电子信息与电气工程学院 学生姓名: 学 号: 专业班级: 指导教师: 2013年 6 月 7 日 课 程 设 计 任 务 书 音频功率放大电路 摘 要:本课程设计的内容是设计和制备一个可以供多媒体音箱使用的音频功率放大电路，从而了解音频功率放大电路的基本结构和工作原理。电路由前置放大级，音调控制级，功率放大级组成。其中，前置放大级电路由NE5532组成的反相比例运算电路来实现，音频控制电路由阻容网络组成的RC型负反馈音调控制电路来实现，功率放大级由集成功率器件TDA2030A连成OCL电路来实现。验证电路可以由Multisim软件仿真,电路的输入阻抗大于100KΩ，额定输出功率为4W，带宽大于50Hz~15KHz。它将输入 电流进行放大，然后驱动喇叭工作TDA2030A具有体积小，失真小等特点，内含多种保护电路，工作安全可靠性高。 关键词:音频功放;音调控制;功率放大;电路仿真 目 录 1. 设计背 景„„„„„„.„„„„„.„„„„„„„„„„„„„„„1 2. 设计方 案„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 2.1任务分 析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 2.2方案论 证„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 3. 方案实 施„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 3.1原理图设 计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 3.2电路仿 真„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 3.3 PCB制作„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 3.4安装与调 试„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10 4. 结果与结 论„..„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10 5. 收获与致 谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 6. 参考文 献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 7. 附 件„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 7.1电路原理图及PCB布线图„„„„„„„„„„„„„„„„„„12 7.2 元器件清 单„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13 1.设计背景 人耳所能感知到的声音频率范围大约为20Hz 到20KHz，而人的语音频率范围则大约集中在80Hz 到12kHz 之间。因此音频功率放大电路所需要放大和处理的信号范围(即电路所需要的通频带)也就是在20Hz 到20KHz 之间，超出此频率范围外的信号不需要考虑。 模拟电路系统一般包括放大电路，滤波电路，运算电路，信号转换电路，信号发生电路，直流电源等。放大电路主要作用是将信号的电压、电流或功率放大;滤波电路用于信号的提取、变换或抗干扰;运算电路用来完成信号的比例、加、减、乘、除、积分、微分、对数、指数等运算;信号转换电路用于将电流信号转换成电压信号或将电压信号转换成电流信号、将直流信号转换 成交流信号或将交流信号转换成直流信号、将直流电压转换成与之成正比的频率的等;信号发生电路用于产生正弦波、矩形波、三角波、锯齿波;直流电源将220V，50Hz交流电转换成不同输出电压和电流的直流电，作为各种电子电路的供电电源。 从能量的控制和转换的角度看，功率放大电路与其他放大电路在本质上没有根本的区别:只是功放既不是单纯追求输出高电压，也不是单纯追求输出大电流，而是追求在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。功放的主要技术指标为最大输出功率和转换效率。在电源电压确定后，输出尽可能大的功率和提高转换效率始终是功放研究的主要问题。因而围绕这连个性能指标的改善，可组成不同电路行式的功放。目前集成功率放大电路为OTL和OCL电路，前者需要外接输出电容。 2. 设计方案 2.1 任务分析 本电路设计采用前置放大电路和音频功率放大电路相结合的放大模式，前 者采用有“运放之皇”的NE5532对电压进行放大，后者采用性 能优良的TDA2030对电压和电流放大，给音响放大器的负载(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。在前置放大和功放之间加上一个滑动变阻，就保证了音量可 调，在滑动变阻器之前再加上一足够大电阻，这样保证了信号不失真。除此之外，加上相应的旁路电容又使得电路具有杂音小，有电源退偶，无自激等优点。根据实例电路图和已经给定的原件参数，使用Multisim软件模拟电路，并对其进行静态分析，动态分析，显示波形图，计算数据等操作。基本设计思路如下图1所示。 在音频功放电路中，需要体现的是电路的功率放大功能。前置放大电路可 以由分立元件组成，也可由集成运放放大电路组成。分立元件组成的放大电路结构复杂，而集成运放放大电路设计简便，易于实施。常用的音调控制电路有三种形式，一是衰减式RC音调控制电路，其调节范围宽，但容易产生失真;另一种是反馈型音调控制电路，其调节范围小一些，但失真小，而且电路简便易行;第三种是混合式音调控制电路，但其电路复杂，多用于高级收录机。功率放大级可以由三极管与电容组成的复合管放大电路来实现， 但这种设计电路结构复杂，也可以由集成功率器件TDA2030来实现，TDA2030是一块性能十分优良的功率放大电路，其主要特点是上升速率高、瞬态互调失真小，输出功率大，保护性能比较完善，并且外围电路简单，使用方便。本课程设计中采用由NE5532P组成的前置放大电路放大器，音调集成功率放大电路中采用了由阻容网络组成的RC型负反馈音调控制电路，功率放大级由集成功率器件TDA2030连成OCL电路输出形式。基本设计路线如图2所示。 图2 基本设计线路图 3. 方案实施 3.1 原理图设计 1.前置放大电路 电路为音频功率放大器原理图, 其中NE5532A是高性能低噪声运放，这使 得该IC特别适合应用于高质量和专业音响设备、仪器仪表及控制电路,和电话信道功率放大器。在反向比例放大电路中，输入电 阻就是电阻R的值，R=100。同时R3和R1的比值就是放大倍数。为了减小前置级放大器的噪声，第一级要选用低噪声的运放。另外，如输入线的屏蔽情况，地线的安装等等都对噪声有 很大影响。前置放大电路图如图3所示。该电路理想闭环电压增益: Au=-R3/R1=-5.1 图3 前置放大电路图 2.音频控制电路 负反馈式音调控制器的工作原理，由于集成运算放大器具有电压增益高、输入阻抗高等优点，用它制作的音调控制电路具有电路结构简单、工作稳定等优点。设计图如图4所示。 图4 音频控制电路原理图 电路图中电位器Rp1是低音调节电位器，Rp2是高音调节电位器，电容C12是音频信号输入耦合电容，电容C2、C3是低音提升和衰减电容。 高音调节电位器Rp2在任何位置对低音都不会影响。当低音调节电位器Rp1滑动端调到最左端时，C2被短路， 由于电容C3对于低音信号容抗大，所以相对地提高了低音信号的放大倍数，起到了对低音提升的作用。 3.功率放大级 外部声源信号经过前置放大、均衡放大后，输入后面的功率放大级，然后就可以输出去驱动扬声器，发出声音。本课程设计中的功率放大器采用 TDA2030 集成块，其本质就是一个运算放大器，和其它小信号放大用的运放相比，有较大电流输出能力，可以输出较大的功率。 TDA2030A功率集成电路的内部电路包含由恒流源差动放大电路构成的输入级、中间电压放大级，复合互补对称式OCL电路构成的输出级;启动和偏置电路以及短路、过热保护电路等。功率放大级原理如图5所示。 图5 功率放大级原理图 图中D1、D2是两只起保护作用的二极管，反向并联在功率放大器的输出端和电源之间，二极管D1、D2在电路正常工作时处于反向，是不导通的，对电路工作没有影响，而如果感生电动势过大，超过了电源电压的范围，则开始导通，将输出端的感生电动势进行钳位，保护功率放大器不会损坏。根据参考手则，这两只二极管采用1A的普通整流二极管1N4001。电阻R15和电容C11串接在电路的输出端，和扬声器一起可以看成功率放大器的负载，其作用是对扬声器的频响特性进行补偿，使功率放大器输出端的总负载趋近于纯阻性。对于交流信号，电容C6相当于“短路”，此时电阻R14和R13组成同向比例放大器反馈回路，功率放大器的交流电压放大倍数为:Au=1+R14/R13。 3.2 电路仿真 在各单元电路设计的基础上，按照总体电路图在仿真软件Multisim上一一选择芯片并进行连接，然后启动开关观察。将电路在Multisim上连接好后进行 仿真。通过仿真我们的电路原理图无误，可以制板。仿真图如图6所示。 图6 电路仿真原理图 根据仿真原理图进行一系列的仿真测试来验证电路是否符合设计要求。 1.验证频带宽度是否满足设计要求 50Hz时其仿真波特图如图7所示。 图7 50Hz仿真波特图 1KHz时其仿真波特图如图8所示。 图8 1kHz仿真波特图 15KHz时其仿真波特图如图9所示。 图9 15KHz仿真波特图 由于电压未能满足负载所需电压，高频特性不是太好。 2.测量输出电压放大倍数 通过仿真测量几组分别在50Hz、1KHz、15KHz时电路中各级电路的放大倍数及整机的放大倍数，下面是电路仿真数据图。 3.测量输入电阻 数据如表2所示。 表2 输入电阻测试表 由表可知该设计电路的输入电阻远大于100KΩ，满足设计要求。 3.3 PCB制作 在布线前要在Altium Designer中完成对电路图元件的封装。在封装时，要注意，因为对于同一个元件可能有多种封装方式。封装时根据所给元件的类型选择合适的封装对各个元件进行封装。封装完成后，把原理图导入PCB板。导入PCB板后，再对元件的位置重新手动摆放，使尽量少的线重叠，以减少布线时的跳线出现。 根据仿真原理图画出Altium Designer原理图，将仿真图中的负载8欧电阻 换成Speaker,再根据需求布线布局，画成的PCB图见附件7.1。作PCB中，根据制作过程的要求，制成单层板，PCB制版中焊盘半径设置为0.9mm，电源和地导线的宽度设置为0.6到0.8mm，信号线设置为0.5mm,当导线从两个焊盘之间穿过时设置宽度为0.5mm。 印刷电路板的流程:首先，在制作单层板时把PCB布线图打印为PDF文件，使用油光纸，留bottom layer、multi-layer、keep-out layer; 其次，把覆铜板切割成设计要求的尺寸，把打印好的图纸放在覆铜板上，并在转印机上转印;再次，将做好的板子放在盐酸溶液中腐蚀，直到导线周围的铜箔被腐蚀掉然后洗净钻孔，之后用砂纸把覆铜板导线表面的墨擦掉，把铜露出来，在打磨过程中注意不要将比较细的铜线磨掉了。 3.4 安装与调试 ?测量电压法 首先要确认的是各芯片电源引脚的电压是否正常，其次检查各种参考电压是否正常，另外还有各点的工作电压是否正常等。 ?信号注入法 将信号源加至输入端，然后依次往后测量各点的波形，看是否正常，以找到故障点。有时我们也会用更简单的办法，例如用手握一个镊子，去碰触各级的输入端，看输出端是否有反应，这在音频、视频等放大电路中常使用(但要注意，热底板的电路或者电压高的电路，不能使用此法，否则可能会导致触电)。如果碰前一级没有反应，而碰后一级有反应，则说明问题出在前一级，应重点检查。 ?其它的寻找故障点的方法 例如看、听、闻、摸等。听工作声音是否正常，用手去试探器件的温度是否正常，检查是否有异味。 4. 结果与结论 本课程设计中由NE5532P组成的前置放大电路放大器，由阻容网络组成的RC型负反馈音调控制电路，由集成功率器件TDA2030A连成OCL电路输出形式的功率放大级实现了带有高低音调节功能的音频功率放大电路、额定输出功率为4W、带宽大于50Hz~15KHz、输入阻抗大于100KΩ等设计要求的音频 功率放大电路。在设计的过程中也有很多问题的存在，例如噪声和失真现象。噪声的产生原因主要有:电源干扰噪声;电磁辐射干扰噪声;接地回路噪声;设备内部的电路噪声。失真主要有以下几种:谐波失真—音响系统重放后的声音比原有信号源多出许多额外的谐波成分。瞬态失真—瞬态失真又称瞬态响应，它的产生主要是当较大的瞬态信号突然加到放大器时由于放大器的反映较慢。 5. 收获与致谢 经过两个星期的电子技术课程设计，此次设计是我们提高专业能力的重要一步。从最初的选题到制作直到完成论文。其间，查找资料，老师指导，与同学交流，反复修改论文，每一个过程都是 对自己能力的一次检验和充实。 通过这次实践，我了解了音频功率放大器用途及工作原理，熟悉了音频功率放大器的设计步骤，锻炼了设计实践能力，培养了自己独立设计能力。此次设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前的一次热身。 此次设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。比如缺乏综合应用专业知识的能力，对材料的不了解等等。由于时间有限，未能完成全部安装与调试工作，对设计结果没有做出最后的检验，也感到遗憾。 这次课程设计要特别感谢张天鹏老师的耐心辅导以及在设计中给出的宝贵建议和意见，在他无数次的指导下，我收获了很多，对学习更加感兴趣，更加自信。在此我表示深深的感谢～ 6. 参考文献 [1] 童诗白.模拟电子技术基础 [M].北京:高等教育出版社， 2005. [2] 阎石，数字电子技术基础(第五版)[M].北京:高等教育出版社，2005. [3] 邱关源，罗先觉.电路(第五版)[M].北京:高等教育出版社， 2006. [4] 秦长海，张天鹏，翟亚芳.数字电子技术 [M].北京:北京大学出版社， 2012. [5] 谷树忠，刘文洲，姜航.Altium Designer教程 [M].北京:电子工业出版社， 2010. 7. 附件 7.1 电路原理图 电路原理图如图10所示。 图10 电路原理图 PCB布线图如图11所示。 图11 PCB布线图 7.2 元器件清单 器件清单表 音频放大电路设计报告 一.幅频相频特性的概念 由于放大电路中电抗元件的存在，放大电路对不同频率分量的信号放大能力是不相同的，而且不同频率分量的信号通过放大电路后还会产生不同的相移。因此，将表示电压放大倍数Au的大小和频率f之间的关系称为幅频特性，输出信号Uout与输入信号Uin的相位差与频率f之间的关系称为相频特性。 二.电路相频幅频特性分析 (1)音频放大电路图 将信号发生器代替音频为音频放大电路提供不同频率的信号源，由此得出频率特性曲线。音频放大电路图如图1所示: 图1:音频放大电路图 根据电路图可以计算得出一级放大倍数为: Au1 , 二级放大倍数为: Au2 1,R3 10 R1R6 15 R4,R8 那么音频电路的总为两级各自放大倍数的乘积，也就是150倍。 (2)理论分析 通过Altium Designer Summer 09软件对音频电路进行仿真，得到该音频电路的幅频相频特性曲线，并进行理论分析。 图2:一级放大电路幅频特性曲线 图3:一级放大电路相频特性曲线 由图2和图3可以得出该放大电路为带通电路，在Au下降 到%70.7处时，可以得出其下限截止频率fL和上限截止频率fH ，fL大约为3.2HZ，fH 大约为95KHZ。由于fH 远远大于fL，因此一级放大电路的通频带为: fbw=fH - fL?fH=95K 查阅资料已知LM358双运算放大器的单位增益带宽为1MHZ，由增益带宽积的公式可以得出理论上的带宽，公式如下: 1M Au1 fbw fbw 1M 100K10 由此可以看出仿真结果接近理论值，一级放大电路为反相运算电路，在无衰减 放大区间相位相差180度，在Au下降到70.7%时，下限截止频率fL所对应的相位差为-135度，上限截止频率fH所对应的相位差为-225度，由图3可以看出仿真与实际相符。 两级放大电路的幅频相频特性曲线如图4和图5所示 : 图4:两级放大电路幅频特性曲线 图5:两级放大电路相频特性曲线 同理，由图4和图5可以得出该放大电路fL大约为4HZ，fH大约为50KHZ，因此两级放大电路的通频带为: fbw=fH - fL?fH=50K 同样根据上面的增益带宽积的公式可以得出第二级理论上的带宽fbw为66K，由此可以看出仿真结果接近理论值，因此可以将仿真结果作为参考来对电路进行测试。第二级放大电路为同相运算电路，在无衰减放大区间相位仍然相差180度，在Au下降到70.7%时，一级放大电路产生45度相移，两级则产生90度相移，那么下限截止频率fL所对应的相位差为-90度，上限截止频率fH所对应的相位差为-270度，由图5可以看出仿真与实际相符。 三.测试电路方法 本实验测量方法是用信号发生器产生幅度一定，频率变化的信号作为声音信号为音频放大电路提供输入信号，由于两级放大倍数为150倍，LM358的摆幅为1.5-3.5v,为了使测量结果不失真，所以选择输入电压大小为10mv，信号发生器频率从1HZ开始递增，观察输入输出波形幅值与相位的变化，找到上下限截止频率，记录每次频率变化后输入输出的幅值以及相位的变化，根据记录的数据，用MATLAB软件画出幅频相频特性曲线。 四.测试电路结果与分析 利用信号发生器与示波器来对电路进行测试，测试结果如下。 (1)测试数据记录 输入电压(mv) 频率(HZ) Uout1(mv) Uout2(mv) Φ1(度) Φ2(度) 10 1 32 230 -90 -10 10 2 60 360 -110 -35 10 4 70 800 -135 -60 10 4.5 72 930 -147 -90 10 5 80 1080 -150 -130 10 10 93 1300 -160 -145 10 15 100 1420 -165 -155 10 20 100 1450 -170 -165 10 50 100 1480 -180 -175 10 80 100 1500 -180 -180 10 100 100 1500 -180 -180 10 1K 100 1500 -180 -180 10 5K 100 1500 -180 -180 10 10K 100 1500 -180 -180 10 20K 96 1460 -180 -195 10 40K 90 1240 -205 -240 10 60K 84 1160 -210 -255 10 70K 82 1060 -215 -270 10 80K 80 880 -220 -285 10 100K 70 760 -225 -295 10 120K 68 620 -240 -320 10 180K 50 360 -270 -360 (2)幅频相频特性曲线测试结果及分析 经过MATLAB将幅频相频曲线简单绘制如下，很容易可以看出上下限截止频率以及相位的变化。 图6:一级放大电路幅频特性曲线测试结果 图7:一级放大电路相频特性曲线测试结果 图6和图7分别为音频电路一级放大电路的幅频和相频曲线。可以看出与仿真结果相似，上线截止频率为4Hz，下限截止频率为100KHZ，误差在允许范围内，输入与输出之间的相位差在放大区间相差180度，在Au1下降到70.7%时， 相移为+45度，这样，在其下限与上限截止频率对应的相位差分 别为-135度和-225度，与理论一致。 图8:两级放大电路幅频特性曲线测试结果 图9:两级放大电路相频特性曲线测试结果 图8和图9分别为音频电路两级放大时的幅频与相频特性曲线，上限截止频率为4.5HZ，下限截止频率为70KHZ，通过带宽增益积可以验证带宽基本与仿真结果一致，其输入输出相位差在放大区间仍然为180度，这是因为第二级放大电路是同相运算放大电路，在Au2下降到70.7%的时候，下限截止频率所对应 的相位为-90度，上限截止频率对应的相位为-270度，由于,每一级相移为45度，因此，两级放大电路为90度，由幅频特性曲线图可以很容易看出。 (3)幅频相频特性曲线测试结果对比 图10:两级放大电路幅频特性曲线测试结果对比 这里将一级放大电路放大倍数扩大10倍，来和两级放大电路的幅频特性曲线对比，可以看出两级放大电路的带宽比一级时要窄，由于增益提高，必定会使带宽变窄，因此在实际应用时如果对带宽有要求，那么多级放大电路增益的选择需要考虑进去。 两级放大后不仅带宽变窄，输入输出相位差也有一定变化，如图11所示。 图11:两级放大电路相频特性曲线测试结果对比 如图11所示，蓝色曲线为一级放大电路相频特性，绿色为两级放大电路的 相频特性，很明显，两级放大电路与一级放大电路在放大区间相位差一样，当频率增大到上限截止频率或减小到下限截止频率后，两级放大电路的相位差会相差更大，也就意味着幅度衰减更厉害。 五.总结 本次实验为音频放大电路的幅频与相频特性的测试，在实验过程中，会遇到多种因素对实验结果产生影响与干扰，例如频率太低是，不仅波形的干扰很大，而且幅值也衰减了，通过增大信号源电压，可以尽量减小输入信号的衰减等，在实验过程中，遇到问题解决问题，尽可能排除不必要的干扰与误差，通过实验可以更直观的观察电路的频率特性。 音频功率放大电路设计音频功率放大电路设计 一、设计任务 设计一小功率音频放大电路并进行仿真。 二、设计要求 已知条件:电源 9V或 12V;输入音频电压峰值为5mV;8 /0.5W扬声器;集成运算放大器(TL084);三极管(9012、9013);二极管(IN4148);电阻、电容若干 基本性能指标:Po 200mW(输出信号基本不失真);负载阻抗RL,8 ;截止频率fL,300Hz，fH,3400Hz 扩展性能指标:Po 1W(功率管自选) 三、设计方案 音频功率放大电路基本组成框图如下: 音频功放组成框图 由于话筒的输出信号一般只有5mV左右，通过话音放大器不失真地放大声音信号，其输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗;滤波器用来滤除语音频带以外的干扰信号;功率放大器在输出信号失真尽可能小的前提下，给负载RL(扬声器)提供一定的输出功率。 应根据设计要求，合理分配各级电路的增益，功率计算应采用有效值。基于运放TL084构建话音放大器与宽带滤波器，频率要求详见基本性能指标。功率放大器可采用使用最广泛的OTL(Output Transformerless)功率放大电路和OCL(Output Capacitorless)功率放大电路，两者均采用甲乙类互补对称电路，这种功放电路在具有较高效率的同时，又兼顾交越失真小，输出波形好，在实际电路中得到了广泛的应用。 对于负载来说，OTL电路和OCL电路都是射极跟随器，且为双向跟随，它们利用射极跟随器的优点——低输出阻抗，提高了功放电路的带负载能力，这也正是输出级所必需的。由于射极跟随器的电压增益接近且小于1，所以，在OTL电路和OCL电路的输入端必须设有推动级，且为甲类工作状态，要求其能够送出完整的输出电压;又因为射极跟随器的电流增益很大，所以，它的功率增益也很大，这就同时要求推动级能够送出一定的电流。推动级可以采用晶体管共射电路，也可以采用集成运算放大电路，请自行查阅相关资料。 在Multisim软件仿真时，用峰值电压为5mV的正弦波信号代替话筒输出的语音信号;用性能相当的三极管替代9012和9013;用8 电阻替代扬声器。由于三极管(9012、9013)最大功率为500mW，要特别注意工作中三极管的功耗，过大会烧毁三极管，最好不超过400mW。如制作实物，因扬声器呈感性，易引起高频自激，在扬声器旁并入一容性网络(几十欧姆电阻串联100nF电容)可使等 效负载呈阻性，改善负载为扬声器时的高频特性。 四、电路仿真与分析 1.根据原理设计仿真电路图如下: 2.当输入信号为200mV 时，输出信号经放大电路放大输出如下图(通道A为输入，通道B为输出 ) 3、实验设计后的真实放大的中频范围:实验用波特示波仪检测电路如下所示， 在中频最大dB值11.974dB减去3的范围内为其通频范围。可以看出设计所得同频带带宽为299Hz-3412Hz，基本符合试验设计要求 . 五、实验总结与思考 在Multisim软件仿真时，用峰值电压为5mV的正弦波信号代替话筒输出的语音信号;用性能相当的三极管替代9012和9013;用8 电阻替代扬声器。由于三极管(9012、9013)最大功率为500mW，要特别注意工作中三极管的功耗，当输入信号幅度逐渐增大时，功放开始过载，波形削顶，谐波失真。输入信号过大时，三极管的功耗也会增大，过大会烧毁三极管，最好不超过400mW。 音频放大电路报告 模拟电子技术基础课程设计 实验报告 化学实验报告单总流体力学实验报告观察种子结构实验报告观察种子结构实验报告单观察种子的结构实验报告单 设计题目:音响放大器 指导老师 刘亚军 班 级 09级电子信息科学与技术2班 姓 名 雷小洁 学 号 200991024063 二0一一年 六月十一日 1.设计目的 1、解集成功率放大器内部电路工作原理 2、掌握其外围电路的设计与主要性能参数测试方法 2. 设计要求: 内容。设计 并制作一OCL音频功率放大器，在实验面包板上进行其外围电路的搭建和调测。 指标:POM?5W fL?50HZ fL?15KHZ 负载:8.2Ω 输入电压:9? 3、设计用仪器:示波器1台，晶体管毫伏表，万用表1块，低频信号发生器，实验面包板或万能板，智能电工实验台。设计用主要器件:集成功放LA4102一块、电阻电容若干。 4,方案选择: 音频功率放大器的主要作用是向负载提供功率，要求输出功率尽可能大，效率尽可能高，非线性失真尽可能小。 输出功率指的是功放提供给负载级的功率，为达到这一要求，功 放管的电压和电流变化范围应尽可能大。 功率放大器的效率指的是负载上得到的功率与电源提供的直流电源的功率之比，为达到这一要求必须选择合适的电路，下文中会有描述。 非线性失真要小:功率放大器是在大信号下工作的，电压，电流摆动幅度较大，很容易超出管子特性曲线的线性变化范围而进入非线性区，造成输出信号波形的非线性失真。因此，功率放大器比小信号的电压放大器的非线性失真严重。为了减小这种失真，本设计选择下文所述方案。 功率放大器的常见电路形式有单电源供电的OTL电路 电路和正负双电源供电的OCL电路。有集成运放和晶体管组成的功率放大器，也有专用集成电路功率放大器芯片。根据设计指标及要求，选择LA4102功放芯片的OCL互补推挽对称功放电路。 此推挽功率放大器工作在甲乙类状态，其目的是为了减小交越失真。电路在工作时由于每管的工作点稍高于截止点，因此有一很小的静态工作电流I。这样 便可克服管子的截止区电压，使两只管子交替工作处的负载电流 按 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 正弦规律变化，从而克服了交越失真。 OCL互补推挽对称功放电路一般包括驱动级和功率输出级，前者为后者提供一定的电压幅度，后者则向负载提供足够的信号，以驱动负载的工作。 5 电路设计: 管脚图如1所示: 图2 LA4102管脚图 LA4102的内部图 C1(10μF):输入耦合电容;C9(470μF):输出耦合电容; C10(100F):电源去耦电容;C4、C7(510pF):消振电容; C2、C4(220μF)滤波电容，使T1、T2静态工作点更稳定; C3(220μF):前级放大电路电源去耦电容; C6(100μF):自举电容，扩展输出信号动态范围; C8(33μF):去耦电容; C5(33μF)，R1(8.2kΩ):与内部电阻R1组成串联负反馈，决定整机电压放 大倍数。 图3LA4102实验电路图 6 计算结果 (1)不失真输出功率P0 2P Uomax0max/RL=2.456*2.456? 8.2=0.7356W (2)测量电路的最大效率 max Pomax/PE，PE VccI PE VccI=9.0*0.11=0.99W max Pomax/PE=74.3%。 7 心得体会 通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关音频线路方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。 在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节，一遍一遍的出错，一遍一遍的再次改正。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，都是一些微笑容易被忽视却又容易出现的错误。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就 想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘。 课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试;熟悉了常用仪器、仪表;了解了电路的连线方法;以及如何提高电路的性能等等。 8. 参考书目 华成英 童诗白 模拟电子技术基础 高等教育出版社 音频功率放大电路实验音频功率放大电路实验 (深圳大学电子科学与技术学院 潘飞蹊) 一、 概述 在现代人类社会的生产活动中，经常需要将各种声音信号转换为电信号，然后进行储存、放大后再输出。音频是指人耳能够感知的声音频率范围，音频放大电路就是能够放大和处理这一频率范围内电信号的电路，而音频功率放大则是指音频电信号被放大以后，还要能够有足够大的输出功率去推动扬声器或耳机等负载，重新将电信号转换为声音输出。 人耳所能感知到的声音频率范围大约为20Hz到20KHz，而人的语音频率范围则大约集中在80Hz到12kHz之间。因此音频功率放大电路所需要放大和处理的信号范围(即电路所需要的通频带)也就是在20Hz到20KHz之间，超出此频率范围外的信号不需要考虑。 另外，人耳对声音的感知有两个很重要的特点:1、人耳对声音强度的感知是对数性的，而不是线性的，这一特点能够保证人耳既能听到及极其细微的声音，也能承受巨大的声响。2、人耳对声音频率的感知也是对数性的，这一特点能够保证人耳对声音频率的感知也有一个足够宽广的范围。 针对人耳对声音频率的感知情况，可以将声音划分为三个基本的 频段，即: 1、高频段，7KHZ以上。2、中频段，500HZ??7KHz。3、低频段，500HZ以下。如果进一步划分，还可以将中频段再细分为中低频段(500KHZ??2KHZ)和中高频段低(2KHZ??7KHZ)。? 就最简单的音频放大电路的理解而言，可以不必考虑声音的不同频率段的处理，只要直接将所有的信号都共同放大，共同输出就可以了，但是在实际中，这种简单的处理方式会存在以下几个方面的问题: 一是放大电路和扬声器的频率响应问题，即必须保证放大电路对所有频率的信号都有相同的放大性能(放大倍数)，也必须保证扬声器对所有频率的信号都有相同的响应性能，这在实际设计中是难以实现的。单就放大电路而言，在音频范围内保证放大电路对所有频率的信号都有基本相同的放大性能并不困难，但是要保证扬声器对所有频率的信号都有相同的响应性能则几乎不可能，因为扬声器? 关于声音频率段的划分方法有多种，不同的方法划分的高音、中音和低频率段有所不同。 高音和低音段也可以再进一步仔细划分更细的频段。 并不是简单的纯阻性负载，而是线圈和永磁体复合组成的，具有 电阻性，电感性(线圈)以及能够感生电动势的特性(线圈切割磁力线)，因此具有很复杂的频率响应特性;同时，不同结构，不同大小的扬声器的频率响应特性也是不同的。因此在现代的音响器材上，往往采用多个不同的扬声器来分别对高、中、低音进行处理和表现，力争尽可能真实地还原出声音信号。 二是人们在不同的场合下，对声音信号的还原需求是不同的，例如在欣赏轻音乐时，声音信号主要集中在中、高音频段，此时可以消弱低频信号，增强高频信号，能够使音色明亮清晰。而如果是在听摇滚乐或观看DVD中的战争场面时，则应当增强低频音量，使声音具有更强的节奏感和震撼力。 三是不同的人对相同声音的感知情况是不同的。因此现在的各种音响器材上都有对声音频率进行调节处理的电路(称音调电路)，以适应不同的需要。 另一方面还要说明的是，不同档次的音响器材对音频放大的品质要求也是不同的，因此放大电路本身的设计要求也不同。例如在一些高档音响器材中，首先对音频信号进行电子分频(用高通，低通或带通滤波器)，将声音信号分为高、中、低三个(或更多)频段，然后分别对这些频段的信号进行放大，再分别输出去驱动高、中、低音的扬声器，这样不仅能够最大限度地保证扬声器的 频率响应特性，也可以方便地调节各个频段的音量信号的大小;而在一些中低档的音响器材中，则是将所有频率的信号同时放大，然后通过电容分频(或电容电感分频)，再输出去驱动高、中、低音的扬声器。 但是，不管音频放大器的要求如何，音频放大电路的基本组成结构和原理则是相同的，只要掌握了这些基本原理，则可以自己去设计和改善电路，提高音频放大电路的品质。 二、 实验内容和目的 本实验的内容是设计和制备一个可以供多媒体音箱使用的音频功率放大电路，从而了解音频功率放大电路的基本结构和工作原理，同时也进一步加深对模拟电路中所学知识的掌握和认识，并通过单元电路的分析，了解电路系统设计的步骤和组合方法。 实验中重点要求复习和掌握运算放大器的基本使用方法，即运放同相比例放大和反相比例放大器的结构，计算和运用。同时也要求复习和掌握有源滤波电路的基本结构和原理。在电路设计中和实验中也需要了解对元器件的选择标准，掌握一些常用元件的性能。 另外，在本实验中还增加了一部分线性直流稳压电源的内容，要求通过实验掌握线性稳压电源的基本结构、工作原理以及三端集成稳压器的使用方法，同时 复习和加深对桥式整流电路理解。 三、 实验电路的结构分析 本实验的内容是设计和制备一个可以供多媒体音箱使用的音频功率放大电路，整体功能框图如图1所示，可以分为音频放大和直流电源两大部分。其中音频放大电路的功能是将其它电子设备(如MP3，计算机声卡，VCD机等)的音源信号进行放大，然后再经过功率放大，最后去推动扬声器输出，简单来说，就是一个扩音器，但为了提高声响的品质，内部要求有能够对高音和低音进行调节的均衡电路(即音调电路)。直流电源部分则负责将220V的交流电源转换为低压直流电供放大电路使用，同时，为了减小电源电压波动引起的噪声对放大电路的影响，电源部分要求采用线性直流稳压电源。 图1 实验电路结构框图 在音频放大电路中，左右声道的放大结构完全相同，因此以下的分析中不对左右声道单独区分。另外实验电路的结构框图也可以再参考附录图1。 四、直流电源的分析和设计? 良好的直流电源是提高音频放大电路品质的关键因素之一。一般的多媒体音箱中为了节约成本，都仅仅采用了全桥整流和电容滤波电路产生直流电源提供给注意:为分析方便，在以下电路的分析过程中，元器件的标号和附录的电路图中的标号不一致。在用PCB电路板焊接电路时，元器件的标号以附录中的电路图为准。 ? 音频放大电路使用。这时的直流电压源含有较高的脉动成分，直接用作音频放大电路的电源时效果欠佳，有可能影响音质，因为电源中的脉动成分会作为干扰信号被逐级放大，甚至在扬声器中产生明显的交流噪声，影响音响系统的保真度。 为了提高直流电源的稳定性，本实验的设计中专门增加了两组线性稳压电路，其中一组设计为具有较大的输出功率，由三端集成稳压器构成，专门提供给音频放大电路中的功率放大部分使用;另外一组则是小功率输出的，由运放、基准源等分立器件构成， 专门提供给音频放大电路中的前置放大和均衡电路使用，通过对这一部分电路的学习和了解，可以掌握线性集成稳压电源的基本结构和工作原理:其本质就是运算放大器的同相比例放大或反相比例放大。 1、全桥整流电路 从图1中可以看到，220V的交流电源经变压器降压后，由全桥整流电路输出直流，再由稳压电路输出稳定的直流，提供给放大电路使用。在设计中，音频放大电路部分需要对称的双电源，因此必须选择次级有三端抽头(双绕组)的变压器，如图2(a)所示，经全桥电路整流和电容C1至C4滤波后，输出对称的正负电源(图 2中电路节点标记为DC，和DC,)。 图2 全桥整流电路和三端集成稳压器构成的直流电源 在这里需要重点注意的是，变压器次级的中心抽头就是所有电路中的公共地线(电路节点标号GND)。有关全桥整流电路的工作原理请复习模拟电路相关书籍中的介绍。 2、三端集成稳压器构成的大功率线性直流稳压电源 要构成线性直流稳压电源，最简单的方法就是采用三端集成稳压器。这种集成电路块内部完整地集成了采样电路、比较放大、调整电路、保护电路和启动电 路等功能，但是外部引脚只有三个端口，分别接输入电源(Vin)，地(GND)，另一个端口输出，其使用十分简单，只要将三个端口按规定接入电路就可以使用。典型和常用的三端集成稳压器有78XX / 79XX系列。其中78XX系列用于产生正电源，79XX系列用于产生负电源，标号XX则代表输出电压。如图2(b)所示，分别采用一只7812和一只7912集成块，按规定连接，就可以产生，12V和,12V的稳压电源输出。(有关三端集成稳压电源模块的使用方法和参数可以查阅使用手则) 图2(b)中电容C5至C8也是滤波电容，起蓄能和稳压的作用。 在实验设计中，该部分电源提供给音频放大电路中的功率放大部 分的电路实用，正负电源输出在电路中的节点标记为PVCC和PVEE。 补充简介: 常用的集成三端稳压电源模块除了前面的78XX / 79XX系列外，还有相关的78MXX/79MXX和78LXX / 79LXX系列，其中字母“M”和“L”代表中功率(Middle Power)和低功率(Low Power)，XX也是代表输出的电压值。区别在于78XX / 79XX系列的输出功率功率较大，输出电流标称为1安培，而78MXX / 79MXX系列的输出功率相对较小，输出电流标称为500毫安，78LXX / 79LXX系列的输出功率更小，输出电流标称100毫安。同时，三者的封装形式也不一样，78XX / 79XX和78MXX / 79MXX系列采用TO220封装，并可以再加装大面积的散热片;78LXX / 79LXX系列采用TO92B封装，一般不需要额外的散热处理。 图3 线性直流稳压电源原理 3、线性直流稳压电源的基本结构和小功率稳压电源设计。 所有线性直流稳压电源的基本结构都可以理解为一个运算放大器构成的同相比例放大电路(或反相比例放大电路)。图3(a)是一个三端集成稳压器的典 型结构框图，由启动、偏置和保护等电路共七个部分组成。其中偏置电路为集成电路内部所有模块的工作提供适当的静态偏置;启动电路则仅仅是在开始工作的时候激励偏置电路正常工作;保护电路则提供过温和过流保护，防止工作时温度太高或输出电流太大而烧毁电路。这几个部分对稳压电源工作的理解没有妨碍，不作具体介绍。(有关偏置电路和过流保护的内容可以复习《模拟电子技术基础简明教程》一书中第四章关于运放偏置和过流保护电路的介绍)。 其余四个部分:基准电压，比较放大，调整电路和采样反馈放大是理解稳压电源的关键，其本质就是一个运放的同相比例放大器，如图3(b)所示。其中基准电压的作用就是产生一个不随外部电压，不随温度变化的标准电压，在集成电路中这一电压通常采用带隙式基准源，其原理在此不具体介绍。比较放大器本质上就是一个运算放大器，基准电压输入比较放大器的同相端。而调整电路的本质则是一只晶体管，也叫做调整管，在集成电路中通常采用复合管来增强电流输出能力和β值。在电路中，调整管和比较放大器复合在一起可以简单地看成一只具有大电流输出能力的运 算放大器。电阻R1和R2构成的采样电路，其本质就是同相比例放大器中的反馈电阻。这样，整体电路就可以看成是由一个具有大电流输出能力的运算放大器构成的一个同相比例放大器，有: 输出电压=(1+R1?基准电压Vref (1) R2 当外部的输入电压发生变化时，只要基准电压不发生变化，则输出的电压也不会发生变化，调整电阻R1和R2的取值，则可以调整输出电压。这就是线性直流稳压电源的基本原理。 另外，从以上对于线性直流稳压 电源的简单分析和介绍中，还可以看 到这种电路的几个重要特点: 1、线性直流稳压电源只能实现 降压处理，即输出电压一定低于输入 电压。 2、调整管必须工作在线性放大 区，电路才能正常工作。这也是这种 电路叫做线性稳压电路的原因。 3、如果不考虑控制部分的电流， 调整管的集电极电流和发射极电流 相等，亦即输入和输出电流相等，则: 图4 线性直流稳压电源设计图 线性直流稳压电源的效率,输出电压 (2) 输入电压 当输入输出电压差值较大时，电源的效率较低，功耗都损失在调整管的集电极上。因此，在功耗较大时，调整管应该加装合适的 散热器。 了解了线性直流稳压电源的基本原理后，也可以用分立器件自己设计稳压电源，图4就是实验电路中的另外一组小功率线性直流稳压电源的设计图。 其中2.5V的基准电压由带隙式基准源TL431和电阻R串连产生，TL431是一种常用的基准源模块，其使用方法类似于稳压二极管，在按照图4所示的方法进行连接时，输出端电压为2.5V。另外在使用中还要注意，要使TL431正常工作，输出稳定的基准电压，必须保证TL431上的电流大于0.7mA，一般可以按照1mA计算，确定电阻R所需的取值。 运算放大器UA和一只NPN(采用S9013)型晶体管以及电阻R1、R2构成了一个同相比例放大器，输出端就是稳压直流电源的正电源部分(电路中节点标号为SVCC)。运算放大器UB和一只PNP(采用S9012)型晶体管以及电阻R3、R4构成了一个反相比例放大器，输出端就是稳压直流电源的负电源部分(电路中节点标号为SVEE)。 设计中为了保证正负电源的对称，则必须保证UA、UB构成的同相和反相比例放大器的放大倍数相等，因此电阻取值必须有: 1+R1R4= (3) R2R3 补充说明: 1、在这一组小功率的稳压电源设计时，其地线标记为SGND(Signal Ground，信号地);而在前面整流电路和大功率稳压电源设计时的地线标记为GND(Power Ground，功率地)。这两组地线的本质是连通的，但功率地会流过大电流，而信号地则只有小电流流过，在电路设计中将其分开，在PCB板布线后将它们在某处(通常是在电源输入端口)连接起来，这是许多功率放大电路的一种常用设计方法。这样做的好处在于可以避免功率地上流过的大电流对小信号放大电路的影响，提高放大性能。另外，类似的设计思想在模数混合电路中也经常用到，模数混合电路设计中一般需要先将“模拟地”和“数字地”分开，最后再在某处连接在一起，避免数字电路部分对模拟放大部分的影响。 2、除了前面谈到的GND和SGND外，在许多电路中还可能用到另外一种“地线”——“Earth”，即“屏蔽地”(在本实验设计中没有用到)，该线通常接在电器的机壳上，并连接在“Earth”(大地)上，用于对电磁信号的屏蔽。这一屏蔽线也就是在大家常用 的单相用电插头中间，除了“零线”和“火线”外的那根连接线。“屏蔽地”既可以单独连接机壳，不和其它的“地线”连通，也可以 根据需要和其它的“地”连接。 3、在所有的直流电源的端口(无论是输入还是输出端口)，都会并联上一只容量较大的电解电容(常采用铝电解电容)和一只容量较小的无极性电容(可以采用瓷片电容，涤纶电容，聚酯膜电容等)，例如图1中的电容。这些电容的作用都是滤波和蓄能，增加电压的稳定性。从理论上来说，这些电容的容量越大，则电源的稳定质量越好，但成本也会越高，因此其容量的选择是按照输出电流来确定的，在工程设计中，一般根据经验选取。之所以要用两只电容并联的方法，在于电解电容的容量可以做得很大，但是高频特性差，滤除不了高频纹波信号;而无极性电容的容量虽然难以做大，但是高频特性较好，并联上去后可以增强电路的高频滤波特性。另外，所有电容的耐压都必须保证一定的裕量，例如图1中的C5—C8，因为7812和7912的输出电压为12V，因此耐压应该大于12 ? 1.4 = 16.8V，电解电容可以选取耐压25V的类型，无极性电容选取耐压63V的类型。 4、元件参数选取的说明 在实际电路设计中，许多元件参数的选取都是根据经验来的，如果遇到不熟悉的元件，则应该根据需要，查阅相关手则确定元件类型和参数。 本实验中直流稳压电源的具体电路设计和元件参数的取值可参见附录图2。 首先选取输出功率为30VA，输出电压(有效值Vrms)为12V的双绕组变压器，这一选取主要是根据一般多媒体音箱的输出功率为10,20W这一条件，另外，电路的主要功耗在音频放大电路中的功率放大部分，本实验中功率放大器选择TDA2030，当供电为?12V时，该集成块的最大输出功率约10W(具体输出功率和负载扬声器的阻抗相关，左右两声道共20W)，再考虑到效率，30VA的变压器基本能够满足需要。 变压器输出的交流有效值为12V，因此经全桥整流电路后产生的直流电压为:?12?2?16V(即图2中的DC，和DC,)。四只整流二极管的耐压必须大于2 ? 16 , 32V，整流电流应当大于30W / 32V ? 1A。在条件允许的情况下，二极管的参数应该尽量保证足够的裕量，因此可以用50V / 3A的二极管或桥堆(实验中拟采用的是50V / 3A的肖特基势垒二极管SB345)。 在桥式整流电路和三端集成稳压器后接的滤波蓄能电容为25V / 2200μF的铝电解电容和63V / 220nF的无极性电容，如果条件允许，也可以适当增大这些电容的容量。三端集成稳压器采用7912和7812，输出电压为?12V(即电路图中的PVCC和PVEE节点)。 另外，根据附录图1中运放(可采用LF353或LM358等DIP8封装的双运放)组成的小功率稳压电源的元件取值，很容易计算出SVCC和SVEE为?10V (按图中的接法，基准源TL431产生的电压基准为2.5V)。由于输出电流较小，因此滤波电容用25V / 47μF的铝电解电容和63V / 220nF的无极性电容即可。 5、本小结的思考问题 如果要求改变线性直流稳压电源的输出值，例如PVCC和PVEE为?18V，SVCC和SVEE为?15V，需要改变哪些元件，元件参数又如何选取, 请查阅资料，了解一些运放和三端集成稳压器的型号，使用方法，参数等。 五、音频放大电路的分析和设计 在图1中可以看到，音频放大部分的左右声道是完全对称的，可以分为前置放大、均衡电路和功率放大三个部分。在理解这些电路时，要把握住它们的基础本质都是运算放大器的反相比例或同相比例结构，或是由此衍生的滤波器。 1、前置放大 前置放大器的作用简单说来就是“缓冲”，将外部输入的音源信号进行放大并输出。外部音源信号由较长的导线输入，并且信号源可能存在较高的内阻，电流输出能力不强，因此需要“缓冲”来将其转换为低内阻的信号源，以便驱动后级电路。 图5 (a)同相比例放大器 (b)反相比例放大器 (c)设计跟随器 在《模拟电路》课程中已经介绍过，当输入信号源为“电压”信号时，“缓冲”电路应该具有高输入电阻;当输入信号源为“电流”信号时，“缓冲”电路应该具有低输入电阻;如果要求“电压”输出，则“缓冲”电路应当具有低输出电阻;如果要求“电流”输 出，则“缓冲”电路应当具有高输出电阻。对于音频信号，一般考虑为电压信号，因此“缓冲”电路应当采用高输入电阻，低输出电 阻的结构。当然，这里的“高”和“低”是相对输入信号源内阻而言，通常外部音源信号的内阻不会超过几千欧，故而前置放大器的输入电阻如果有数十千欧的话，已经足够“高”了。 许多形式的放大电路都可以用作前置放大级，如图5所示的一些实例，运放的同相比例放大器，反相比例放大器或者晶体管构成的射极跟随器(共集电极放大器)都可以。音频信号是交流信号，放大器只需要放大交流，因此输入端通常采用电容耦合形式，以避免输入信号源中可能存在的直流分量的影响。图5中的电容C是耦合电容，容量一般较大，在音频放大电路中可以采用低成本的铝电解电容。 图5(a)是运放的同相比例放大器，输入电阻为R;图5(b)是反相比例放大器，输入电阻也为R;图5(c)则是射极跟随器，CF为大容量的自举电容，输入电阻在理想情况下可以趋于无穷大。究竟选取哪种电路，可以根据设计要求和实际情况舍取。另外还有其它许多不同的放大电路，例如带自举电容的同相和反相比例放大器等，都可以用作缓冲放大，本文不再做具体介绍，读者可 以参考相关书籍。但要记住一点，不论是什么样的缓冲放大电路，基本原理都是以上三种，电路结构也应该是这三种电路结构的衍生。 补充说明: 1、在信号放大电路中，每一级放大器之间无论采用电容耦合还是直接耦合，都应当尽量保证每级放大器能够实现“零输入”——“零输出”的性质，以避免失调、漂移对放大性能的影响。 2、对于图5(a)的同相比例放大电路，电阻R是必不可少的。电阻R决定了输入电阻值，虽然它的存在对放大倍数没有影响，但能够保证运放同相端的直流电位接地，输出端的直流电位也为零。如果没有R，由于运算放大放的输入电阻很高，同相端相当于“浮空”，电路不能工作。 3、在图5(b)的反相比例放大电 路中，输入电阻就是电阻R的值，同时 反馈电阻R1和R的比值就是放大倍数。 减小R的值可以提高放大倍数，但同时 也降低了输入电阻，因此在实际电路设 计中，放大倍数，电阻R1和R的取值需 要折衷考虑。 在本设计的实验中选取了反相比 例放大器作为前置放大级，具体电路设计和元件参数取值如图6(可参见附录图3和图4)。 图6 前置放大电路 电阻R , 30K，R1 , 100K，故可知放大倍数为3.3，输入电阻为30K，针对外部音源的输入信号来说，可以满足输入电阻足够“高”的条件。 电容C(和C*1)是耦合电容，其容量取值可以按如下规则来考虑:因为运放的反相端相当于“虚地”，故电容C和电阻R构成一阶高通滤波器，人耳能听到的声音信号最低为20HZ，故该高通滤波器的截止频率应当低于20HZ，才能保证音频信号的完整传输，即: f0=ω0 2π=120HZ (4) 2πRC R取30K，可以求得电容C的容量应当大于0.27μF。但是在实际工程设计中，上述计算值只能做一个参考，一般耦合电容的取值都应该远大于计算值。另外，耦合电容的取值还应当根据所采用的电容的质量来衡量:如果采用的是铝电解电容，因为其高频特性不佳，容量可以取计算值的数十乃至上百倍;如果是性能较好的钽电解电容，则容量可以取计算值的十倍左右;如果采用是高品质的无极性电容，则容量取计算值几倍就可以了。总体来说，在条件允许的情况下，耦合电容的取值应当尽量大些为好。 另外一方面，和上一小节介绍的线性直流稳压电源中的滤波电容相似，也可以在较大容量的铝电解电容旁并联上一只小容量的无 极性电容来提高耦合电容的高频特性，例如图6中的电容C*1。本实验设计的电路和PCB板中，耦合电容选取铝电解电容(容量统一为47μF)，但旁边都预留了一只无极性电容的引线插脚，可以在实验中自由选择。? 电容C*2也是一只可以根据实际情况自由选择舍取的电容，并在实验PCB板中也预留了引线插脚。如果考虑C*2的作用，则前置放大器由一只反相比例放大器衍化为一阶低通滤波器，传递函数为: (R1// Au(ω)= 其截止频率为: f0=1i?ω?C*2R1=1? (5) RR1+iω/ω0ω0 2π=1?30KHZ (6) 2π?R?C*2 如果在电路中加入电容C*2，可以抑制输入信号源中可能含有的 高频噪音，减小放大电路可能受到的影响;如果不要这只电容，对放大电路的正常工作也没有什么明显的影响。 ? 注意:在附录的电路图和实验PCB板上，可以看到一些带“ * ”的元件标号，这些元件对电路原理没有影响，仅仅是为了提高电路品质或完善功能而预留的，在实验电路制作时都可以不焊接。 2、均衡电路(音调电路) 均衡电路是由低通、高通、带通等滤波器组成的，可以对音调进行控制的电路，听者可以根据具体需求，对声音信号中某些频率段的增益(放大倍数)进行调整。常用的均衡电路只是对高频段或低频段的增益进行提升或衰减，而中频段的增益保持不变。 均衡电路可以用无源的RC滤波网络来构成，也可以用运算放大器组成的有源滤波网络来构成，另外，现在许多半导体公司都有专用的音调IC(Integrated Circuit)产品可以采用。 图7(a)是本实验设计的电路中采用的均衡电路，由运算放大器构成，可以对高频段和低频段的增益分别进行提升/衰减。 图7 (a)实验设计采用的均衡电路 (b)低频提升简化电路 (c)低频衰减简化电路 (d)高频提升简化电路 (e)高频衰减简化电路 首先对图7(a)的均衡电路功能和部分元件取值作一简要说明。RP1和RP2是两只可调电位器，其中RP1对低频音调进行控制，而RP2则对高频音调进行调节:当电位器从右滑旋向左时，相应的低频/高频音量提升;反之，当电位器从左滑旋向右时，相应的低频/高频音量衰减。一般来说，均衡电路设计时要求音调的提升/衰减量大约为?20DB(分贝)，即放大倍数有0.1?10倍的调节能力。对于元 件取值来说，应当有:R1=R2=R3=R，RP1=RP2=RP，并且RP?10R;电容C1=C2C3。 对于图7(a)的电路进行直接解析分析非常困难，可以分别考虑低频、高频的情况，对电路进行简化以后再分析，关键点在于:电容C1=C2C3，在低频段时，可以将电容C3看成开路;而在高频段时，可以将电容C1、C2看成短路。这样，在低频段时，当RP1滑至最左端时，电路可以简化为图7(b)的等效电路，在RP1滑 至最右端时，电路可以简化为图7(c)的等效电路。同理，在高频段时，当RP2滑至最左端时，电路可以简化为图7(d)的等效电路，在RP2滑至最右端时，电路可以简化为图7(e)的等效电路。这里需要注意一点，电位器RP2在上述四种情况下始终并联在输入输出端，本身并没有引入运放的反馈回路中，因此做电路分析时不需要考虑。 有关均衡电路的特性分析、元件取值计算等请参见附录二，具体设计电路参见附录图3和附录图4。注意，在实际所设计的电路图和PCB板上都有一些带有“*”标号的电阻和电容，这些元件的主要作用是通过串并联来调整相关元件取值，使其接近理论计算值。 另外，均衡电路对音调进行处理，滤波特性的好坏直接影响到增个音频放大电路的效果，因此所有的电容都应该采用高品质的无极性电容。 3、功率放大电路 外部音源信号经过前置放大、均衡放大后，输入最后的功率放大级，然后就可以输出去驱动扬声器，发出声音。本实验中的功率放大器采用TDA2030集成块，其本质就是一个运算放大器，和其 它小信号放大用的运放相比，有较大电流输出能力，可以输出较大的功率。 如图8所示，TDA2030系列集成功率放大器采用 TO220封装，使用时必须在外部加装散热器。另外，集成 块内部已经集成了过温保护，过流保护等电路，因此使用 十分简单。对于使用者而言，只需按要求在外部连接上少 量的元件，就可以正常使用了。 该集成功率放大器有5个外部引脚，分别的定义是: 1: Non inverting input(同相输入端) 2: Inverting input(反相输入端) 3: –VS(负电源) 4: Output(输出) 5: +VS(正电源) 图8 TDA2030外观 TDA2030功率集成放大器的使用十分灵活，可以构成多种输出结构:即可以在正负对称电源下工作构成OCL电路，也可以在单电源下工作，构成OTL电路，还可以用两只放大器一起工作，构成BTL电路等，相关的使用方法请查阅资料，图9是参考资料中给出的一些典型应用电路。? 图9 TDA2030的一些典型应用电路 本实验电路设计中采用的是双电源下工作的OCL电路，具体如图10所示，结构和原理与图9(a)的电路相似，下面对其做一简介。 RP3是一只电位器，作用是进行音量(Volume)调节。输入信号 (均衡电路的输出信号)通过耦合电容C1后，再由RP3进行分压调节，连接到TDA2030的同相端。 电阻R1、R2组成反馈回路，和TDA2030构成了一个同相比例放大电路，这一部分就是整个功率放大电路的核心，本质和普通运放完全一致。需要说明的是电容C2同样是一只耦合电容，作用同样是“隔直通交”，使功率放大器仅仅对交流信号产生放大作用，而对直流信号不产生任何放大: 1、对于直流信号，电容C2相当于“开路”，此时电阻R2不起作用，功率放大器和电阻R1构成的是一个电压跟随器。由于电位器RP3是通过电容C1和前级电路? 关于功率放大电路的结构划分可以参考《模拟电子技术基础简明教程》一书的第九章。 OTL:Output Transformerless的缩写，即无变压器耦合输出。 OCL:Output Capacitorless的缩写，即无电容耦合输出。 BTL:Balanced Transformerless的缩写，即无变压器平衡输出。 耦合，因此RP3上的直流电位一定为零，同时可以保证功率放大器的输出也一定为零，即有“零输入，零输出”的性质。 2、对于交流信号，电容C2相当于“短路”，此时电阻R1和R2组成同相比例放大器反馈回路，功率放大器的交流电压放大倍数为: Au=1+R1 (7) R2 对于耦合电容C1、C2理论取值的计算，可以参考前面5.1小节中的补充介绍。另外，电容C*1和C*2同样是设计中预留的无极性电容引脚，在实际电路焊接时可以根据情况取舍。 图10 功率放大电路 D1、D2是两只起保护作用的二极管，反向并联在功率放大器的输出端和电源之间，虽然对电路的理论分析和理解没有作用，但在实际电路中则必不可少，原因在于扬声器。前面在概述中已经提到，扬声器并不是简单的纯阻性负载，而是线圈和永磁体复合组成的，当扬声器的线圈振动时，切割磁力线会产生感生电动势， 这种感生电动势反过来加在功率放大器的输出端口，太大的话有可能造成功率放大器的损坏。二极管D1、D2在电路正常工作时处于反向，是不导通的，对电路工作没有影响，而如果感生电动势过大，超过了电源电压的范围，则开始导通，将输出端的感生电动势进行钳位，保护功率放大器不会损坏。根据参考手则，这两只二极管采用1A的普通整流二极管1N4001。 电阻R3和电容C3串接在电路的输出端，和扬声器一起可以看成功率放大器的负载，其作用是对扬声器的频响特性进行补偿，使功率放大器输出端的总负载趋近于纯阻性。它们的补偿作用可以用以下简单的分析来做一个定性理解。 前面已经说过，扬声器并不是简单的纯阻性器件，而是具有电阻性，电感性以及能够感生电动势的特性。这里不考虑它的感生电动势特性，如图11所示，将扬声器近似地看成电阻R和电感L构成，旁边并联上R3和电容C3，这时，整个负载网络的阻抗为: Z=(R3+1//(R+iω?L) (8) iω?C3 将上式整理可得: (1?ω2? Z=R?R3L?L?C3)+iω?(R3+?C3RR?C3 (9) 2(1?ω?L?C3)+iω?(R3+R)?C3 L，R2 仔细观察上式可以看到，如果补偿电阻取值有:R3=R，电容有:C3= 则负载网络的阻抗为:Z=R，即整个负载网络呈现的是纯阻性。 这就是R3和C3产生补偿作用的原理以及理论取值 的计算关系式。但是在实际中，扬声器并不是电感和电 阻的简单串连，其频率特性非常复杂，因此这种补偿方 式只能改善负载特性，并不能完全使负载网络呈现纯阻 性。 在实际电路设计中，电阻R3和电容C3的取值一般不 计算，而是通过经验来确定，或者由参考资料来确定。 本实验设计中R3和C3的取值就是根据TDA2030的参考 手则来确定的。 另外，除了上述用电阻和电容对扬声器进行补偿的 方法外，还可以用电感、电容、电阻构成的网络进行补 偿，计算方法与本文介绍类似，读者可自行推导。 图11 负载网路简化等效电路 补充简介: 1、功率放大的输出接入音箱就可以发音了。如图10中虚筐内的结构，一般多媒体音箱只有中低音和高音两个扬声器单元。这两个单元是并联的，但是它们的频率响应特性则不一致，因此需要 “分频”处理，将驱动信号中的高频、低频信号分离出来，分别去驱动相应的扬声器单元，以提高音质。图10中高音单元的线路内串连了一只电容C，这只电容就是“分频”电容，它和扬声器的内阻构成了一个RC“高通滤波”器，滤除驱动信号中的中低音信号，仅让高音信号进入。该电容的取值一般在几个μF的量级上，一般只采用铝电解电容以降低成本。这种电容分频的方法是最简单，最经济的方法，也是效果最差的方法，在一些高 档的音箱中，则采用电感、电容构成的LC滤波器进行“分频”，以提高声音品质。另外，现在还有“电子分频”的技术，用信号处理电路将声音信号分为高、中、低三个(或更多)频段，然后分别对这些频段的信号进行功率放大，再分别输出去驱动高、中、低音的扬声器单元，这种方法效果最佳，但成本也最高。 2、在图9(a)的电路，电容C3、C4、C5和C6并接在电源上(在图9(b)(c) 中也有类似的几只电容)，这些电容称为“去耦电容”，它们的作用和电源中的滤波电容作用是一致的，也是起滤波和蓄能的作用，主要是为了克服电源线存在的电阻而引入的。“去耦电容”一般出现在功率器件旁边，并且也不是必需的，通常是的取舍原则是:如果功率器件距离电源滤波电容较远，则增加“去耦电容”;反之， 如果功率器件离电源滤波电容较近，则不要“去耦电容”。这个距离的“远”“近”带有一定的人为性和经验性，例如在TDA2030 的参考手则中规定此距离为3英寸(约7.5cm)。同时，在PCB布局布线时，“去耦电容”应当尽量靠近相关功率器件的电源引脚。本实验电路设计中没有引入这些“去耦电容”。 六、实验电路的安装和调试 本实验是一个小型电子电路的系统。在进行PCB板设计和电路调试时，必须注意以下一些规则和经验，才能保证电路以较高的品质正常工作。这些规则和经验同样适用于其它电路系统的设计。 (一)、PCB板元器件布局布线 1、大信号电路(或功率电路)部分和小信号电路部分尽量分开布局。如果在模数混合系统中，模拟部分和数字部分一定要分开布局。 2、具有较强电磁干扰的电路和元件，例如功率电路和电源变压器等应当尽量远离小信号部分电路，必要时可以采用屏蔽处理 3、元器件的布局应当遵循走线尽量短的原则，特别是模拟电路 中的信号传输线。 4、避免大信号线和小信号线近距离平行走线，以防止互相耦合干扰 5、功率地线和信号地线要分开，如果在模数混合系统中，数字地和模拟地一定要分开，各个单元电路采用一点接地，将各自的地线分别单独连接到电源滤波电容的接地端。 6、如果有某个元件不是直接焊接在PCB板上，需要引出，同时该元件上有重要的信号经过，则可以使用屏蔽线连接。屏蔽层的一端连接地线，而屏蔽层本身不能作为地线使用。 7、要保证大功率的发热元件散热和通风良好，电解电容尽量不要靠近发热元件和散热器，以防止长时间的高温使电解电容内部电解液干涸而失效。 8、电源线和地线的粗细因该根据流过的电流大小来加以考虑和设定，对于功率信号线同样如此，一般需要加粗。另外，地线(特别是信号地线)不能在PCB板中构成闭合回路，以防止电磁感应干扰。 (二)、电路调试 在元器件安装完毕后，要对电路逐一做详细检查，检查是否有元器件引脚错误安装之处，有无虚焊点，有无焊接短路点等。确认电路安装无误后方可通电进行调试，调试时先按电路的功能模块进行分级调试，分为静态调试和动态调试两个步骤进行。 1、将信号输入端对地短路，用万用表或示波器测量每一级电路中关键点的直流电压是否正常，是否和理论计算值相同。例如对于直流线性稳压电源，输出电压是否为设计值;又如所有信号放大电路中的运放，由于是正负双电源对称供电，输入信号此时为“零”，因此输出点直流电位此时也应为“零”。如果发现故障，检查并排除。另外，还可以用示波器检查电路中是否有自激振荡现相存在。 2、在电路的输入端加上输入信号(一定幅度和频率的正弦信号)，观察每一级放大器的输出信号是否正常，信号有无失真，信号的放大幅度是否与设计值相同等。还可以在输入端加入不同频率的正弦信号，调节各个电位器，检查信号是否受控，受控是否正确等。如果发现故障，则应当从第一级电路开始，逐级向后检查，找出原因并排除故障。 在进行完以上的调试工作后，就可以在输入端加入一音源信号，接通音箱，检查并试听各项功能。 七、实验报告要求 1、实验报告要求重点阐述自己的收获和体会。 2、在实验调试中，选择自己认为重要的数据进行记录并分析。 3、对本实验的建议，包括改进，疑点等。 本实验以音频功率放大电路的设计为例，对一般电子电路设计和制作的基础知识进行了简要介绍。在实际的工程设计中，许多时候情况远比实验中介绍的问题复杂，并会涉及到更多的技术指标，元器件知识，新颖的电路结构等。要解决这些问题和掌握这些新知识，需要大家一点一滴地去把握、积累。但同时是又应该明白，无论如何，解决这些问题的出发点，则是大家已经学习过的基础理论， 而这些新知识，则是基础理论的扩展、提高和应用。希望大家在今后的学习和工作中，能够注意将所学的基础理论知识和实际情况下的应用结合起来，做到“学以致用”、“学有所用”，就可以不 断地提高自己。 附录一 音频功率放大电路实验的电路原理图PCB 版图 附图1 音频放大实验电路的整体结构原理图 附图2 实验电路中的线性直流稳压电源原理图 附图3 实验电路中的左声道电路原理图 附图4 实验电路中的右声道电路原理图 附图5 实验电路板的表面元件布局排列图 附图6 实验电路板的表面元件布局排列图和布线图(底面未含敷铜层) 附录二 均衡电路传递函数和元件参数取值的推导 一、 低频提升/衰减电路 附录图7 (a)低频提升电路 (b)低频衰减电路 低频提升 /衰减电路的分析比较简单，需要把握住运放“虚短”和“虚断”两个概念，如附录图7(a)的低频提升电路，R3与电容C2的连接点是“虚地”，因此有: R2+(RP1//ZC1) (A1) R1 ALu1=? 其中ZC1=1为电容的容抗。利用条件R1=R2=R，RP1=RP整理可得: iω?C1 1RPRP?=?(1+?R1+iω?RP?CR 1+i1+iω?RP?R?C 1+iω?RP?C ALu1=?(1+ω ωL2 (A2) =AL1?1+iωL1 其中AL1=?(1+RP1为通带电压放大倍数，ωL1=称为低频转折频率， RRP?C ωL2=1称为中低频转折频率。 (RP//R)?C 同样对附录图7(b)的低频衰减电路可以作出分析，传递函数为: ALu2=?R2?1=ALu1R1+(RP1//ZC1)ωωL2?1) (A3) =(AL1?1+iωL11+i 利用A2、A3两式可以作出传递函数的柏德图，如附录图8所示。从以上分析可以看到，低频提升/衰减电路的传递函数是倒数对称关系，在幅频特性图(柏德图)中应该是以X轴为中心的具有上下镜像对称关系的图像。对于频率特性，以低频提升电路为例，可以从以下几个频率段的划分加以理解。 附录图8 提升/衰减电路的幅频特性图 如果电阻取值有RP=10R，低频转折频率和中低频转折频率之间有: ωL2=11ωL1?10ωL1 (A4) 当外部信号频率ω 20LogALu1=20LogAL1=20.8DB?20DB (A5) 当ω=ωL1时，电压增益为: 20LogALu1?20LogAL1 2?17DB (A6) 当ω=ωL2时，电压增益为: 20LogALu1?20LogAL1? 当ωωL2时，电压增益为: 2?3DB (A7) 10 20LogALu1=0DB (A8) 同理，可以对低频衰减电路作出相同的频率划分，并且可 以看到，当调节电位器RP1时，电路对低频信号的最大提升/衰减 范围为?20DB。 二、 高频提升/衰减电路 附录图9 (a)高频提升电路 (b)高频衰减电路 附录图 9是高频提升/衰减的等效简化电路，其分析计算中同样要把握住运放“虚短”和“虚断”两个概念。以图(a)中的高频提升电路为例，运放的反相端是“虚地”，并假设电阻R1、R2、R3和R4上的电路分别为i1、i2、i3和i4，同时R4和C3的串连阻抗为Z=R4+ i1= i3=1。根据以上假设可以列出方程组: iω?C3Ui?UmU?Uo; i2=m; R1R2U?0UiUm?0Um; i4=i (A9) ==ZZR3R3 根据图中电流的方向定义，电流方程有: i1=i2+i3; i4=?i3 (A10) 联立求解以上方程组，并利用条件R1=R2=R，可以得到高频提升电路的传递函数为: AHu1=?(31+iω?(3R+R4)?C3R3+1)=? Z1+iω?R4?C3 ω ωH1 (A11) =?1+iωH21+i 其中，ωH1=11为中高频转折频率，ωH2=为高频转折频(3R+R4)?C3R4?C3 率，当外部信号频率ωωH2时，可以得到通带电压放大倍数: AH1=?3R+R4R=?(1+3) (A12) R4R4 为了保证高频提升电路的通带电压增益为20DB(放大倍数为10)左右，可以从上式中得到一个电阻R4的取值关系条件:R4?1R。有了这一条件后则两个3 转折频率间的关系为:ωH2=10ωH1，此时同样可以对高频提升电路划分为几个频率段加以理解: 当外部信号频率ωωH2时，通带电压增益: 20LogAH1=20Log+3R=20DB (A13) R4 当ω=ωH2时，电压增益: 20LogAHu1?20LogAH1 ?17DB (A14) 当ω=ωH1时，电压增益: 20LogAHu1?20LogAH1? 当ω 20LogAHu1=0DB (A16) 同理，可以对附录图8(b)的高频衰减电路做出分析， 得到其传递函数: AHu2=AHu1?1ωωH2=? (A17) 1+iωH11+i 高频提升/衰减电路的传递函数在幅频特性图同样是上下镜像对 称关系的图 像。调节电位器RP2时，电路对高频信号的最大提升/衰减范围为?20DB。具体幅频特性图请参见附录图8。 三、 均衡电路的设计和元器件的取值计算方法 在前面关于幅频特性的分析中，可以看到提升/衰减电路具有上下镜像对称性，同时在对传递函数的具体分析中也可以看到，低频/高频的幅频特性线也具有左右镜像对称性，这个对称中点频率点就是设计中的一个重要参考量，记为f0(或ω0)。一个设计良好的均衡电路应该同时具有“上下、左右”的对称性。 普通均衡电路的设计要求之一是最大提升/衰减量为20DB左右，在前面的分析中已经给出了一些元件取值条件:R1=R2=R3=R，RP1=RP2=RP，RP?10R，R4?1R。当电阻满足这些条件时，就可以保证电路的最大提升/衰3 减量的要求，使电路的幅频特性满足“上下”对称。 另外需要考虑的元件取值是电容，只有合适的电容取值才能够使电路满足高频/低频的“左右”对称性。下面给出一个均衡电路设 计方法的实用步骤: 1、首先根据实际情况的要求定出中点频率f0。 2、再根据实际情况的要求定出一个低频频率fL点和一个高频频率点fH，以及所要求的在这两个频率点上的提升/衰减量(记为k，用分贝为单位，注意，电路提升/衰减量最大为20DB，因此k 20DB)。 上述三个频率点之间应当满足: f0f=H (A18) fLf0 这是因为幅频特性的横轴频率是指数坐标，在指数坐标中成等比的三个点之间是等间距的，这样才能保持低频频率fL和高频频率点fH围绕中点频率f0是对称的。 3、根据以下公式计算出各个转折频率: 中低频转折频率:fL2= 低频转折频率:fL1=ωL22π?=fL?2 fL2 10k6ωL1 2π 中高频转折频率:fH1= 高频转折频率:fH2=ωH12π=fH?2 ?k6ωH2 2π?10?fH1 (A19) 4、根据前面的电阻取值关系确定相关电阻值，再根据式(A19)中各个转折频率的值和它们的定义来求出各个电容的取值。 下面以本实验设计的具体参数取值作为实例说明上述设计步骤。 设计要求为:电路的最大提升/衰减量为?20DB。中心频率f0 , 1KHz;低频频率fL , 100Hz;高频频率点fH , 10KHz;要求在频率点fL和fH处，电路的提升 /衰减量为k , 14DB。 首先根据式(A19)进行计算，得: fL2=fH1= ωL2 2π =fL?2?500Hz; fL1==fH?2 ?k6 k6 ωL1 2π ? fL2 ,50Hz 10 ?10?fH1=20KHz ωH1 2π =2KHz;fH2= ωH2 2π 再根据前面得电阻取值规则取: R1=R2=R3=R=5.1K; RP1=RP2=RP=50K R4? 1 R=1.7K，该电阻阻值不是标准系列，可以在标准系列中选取近似 3 值代替，或用两只3K和3.9K的电阻并联得到。 最后，由:fH2= ωH2 2π = 1 =20KHz，计算出:C3=4.68nF。 2π?R4?C3 fL1= ωL1 2π = 1 =50Hz， 得:C1=C2=C=63.6nF。 2π?RP?C 这些电容值可以采用标准系列值中的近似值:C3=4.7nF，C1=C2=62nF，也可以用串并联方法得到。 根据上述计算取值得到的均衡电路，其幅频特性为附录图8，实现了设计要求的所有指标。 补充介绍:元器件的取值计算方法 上面介绍的元件取值计算方法其实是一种近似方法，但是完全能够运用于实际设计。其中公式组(A19)是计算的关键，它是利用柏德图的近似画法推导出来的，下面以低频提升电路为例来加以说明。 首先，由前面对传递函数推导的数学过程中已经证明了，当所有电阻的取 附录图10 低频提升电路简化幅频特性图 值满足条件关系R1=R2=R3=R，RP1=RP2=RP，RP?10R，R4? 1 R时，通3 带电压增益为20DB左右，在中低频转折频率fL2点处，电压增益为3DB;在低频转折频率fL1点处，电压增益为17DB，相当于通带电压增益下降了3DB;并且两个转折频率之间有fL2?10fL1，即它们正好相差10倍频(注意，10倍频在在指数坐标中正好是一个单位)。 如附录图10所示，这时如果忽略掉在两个频率转折点处电压增益的变化，就可以用图中的三根直线来近似表示幅频特性: 当f?fL1时，近似认为电压增益不变，为20DB。 当f?fL2时，近似认为电压增益不变，为0DB。 当fL1?f?fL2时，近似认为电压增益线性变化，变化率为20DB/Dec。 (这种画图方法和《模拟电路》一课中介绍过的柏德图的画法完全一致，请复习相关内容。) 如图，如果要求在频率点fL处，电压增益的提升量为k分贝，则很容易用简化的柏德图和几何知识得到: fL2 fLk (A20) = fL220DB Log fL1 Log 由于fL2?10fL1，将上式进行化简可得: fL2=fL?10的其它相关公式。 注意: k20 ?fL?2 (A21) k6 对高频提升电路的幅频特性做同样的近似处理和计算，可以得到(A19)中 1、公式(A20)右边部分代表的是频率点之间的距离之比，对数运算(Log)是将指数坐标中的距离线性化表示(请复习中学数学知识)。 2、上面介绍的均衡电路的设计方法中，电路的最大提升/衰减量 只能为?20DB左右，如果相差较大，则不能用(A19)的公式组计算，必须另行推导。 音频放大器电路图音频放大器电路图: 这是音频功率放大器的典型应用电路，它受设计的限制，无法在高电路噪音环境中工作。提高旁路电容值便可改善电源抑制比。但旁路电容值高，开启时间可能会延长，且电容体积增大，这样做并不切实际。 图二 : 这是设有“渐强渐弱”功能的音频功率放大器应用电路。它添加“渐强渐弱”功能，当LM4897放大器获得停机管脚的供电并重新启动之后，输出电平会慢慢上升。每当收到停机信号之后，输出电平便会逐渐下降至 零，启动/关闭时间可以通过输入电阻及电容器加以设定。 图三: 这是采用无需旁路电容的音频放大器。没有旁路电容器，启动时间便可缩短，而且仍可在217Hz与1kHz的噪音下分别维持高达62dB与66dB的电源抑制比。该音频放大器内置输入及反馈电阻，工程师可以利用外接的控制逻辑管脚选择2 倍(6dB)或4倍(12dB)的可编程增益，外接元件数目可大幅减少至两颗。 电视音频放大器应用笔记4628 电视音频放大器—超薄系统的热测试考虑 Robert Polleros, 高级技术成员，应用支持 摘要:用于电视机(TV)设计的D类放大器，对其热特性评估按照类似于AB类放大器的评估原则进行。通过对不同输入信号时放大器的功耗进行深入细致的调查，本文提出了一种更加适合D类放 大器的标准。 类似文章被分为三个部分，发表于2007年4月/5月的Audio DesignLine。 引言 所有内置音频功放的设备，例如:立体声系统、电视和多通道音视频接收机，都有一个共同重要指标:输出功率。这项指标为最终用户提供设备所能输出的最大功率指示，多数客户可能非常关注该项指标。 对于制造商来说，不仅需要测试输出功率，还要测试在恶劣环境下能够保障电视机正常工作的热稳定性。目前，各家公司可能采用不同的测试标准。 常见的功率放大器有两种类型:AB类和D类放大器。平板(LCD和等离子)电视是推动D类放大器发展的主要动力，D类放大器解决了平板电视的空间限制和散热问题。而目前使用的测试标准则是在只有AB类放大器的时代推出的，本文将研究它是否适合D类放大器。 最大输出功率 最大输出功率是在指定的时间、特定的信号频率以及总谐波失真(THD)条件下，放大器所能提供的功率。例如:联邦商业委员会(FTC)规定，在测试功率之前，首先输出1kHz的正弦信号、输出功率为额定功率的1/8，预热1小时。然后，由放大器输出满足特定THD和频率范围要求的额定功率5分钟。负载通常为一个4Ω或8Ω电阻，具体取决于扬声器的标称阻抗。 因为大多数电视机没有外部扬声器的连接端，无法测试其功放输出，也没有功率测量的法定标准。通常，标称功率的测量使用1kHz、THD小于10%的信号，功率输出至少10分钟。 热稳定性 该测试提供电视机的整体热容量，电视机被放置在一个最高环境温度(典型值为+40?C)的温箱内，电视机内部的温度会更高，因而放大器的工作温度略高于环境温度。电视机通常使用原配的扬声器。 测试采用了不同的信号波形和幅度。这种功能测试通过评估温度模板检验潜在的危险因素。这个测试需要持续几个小时，从而建立各部分的最终温度。然后，用红外温度计或热电偶进行检测，最后将测量结果与安全规范(例如:最大PCB温度或结温)进行比较。热稳定测试中，无论是功放还是扬声器都不允许任何损坏。 测试信号 热稳定性测试力图仿真最恶劣的工作环境，此时，音频信号可能来自DVD和电视广播设备，但工程师需要使用标准的信号源，以便每次测试时得到相同的结果。建立最终的条件后，测试应保证稳定的温度读数。 当正弦波建立稳定的读数后，它们并不是模拟音乐或语音信号源，因为这些信号的幅度是随时间变化的，信号幅度范围从静音到过驱动(箝位)。幅度分布由振幅因数描述，它是(音乐或语音信号源)峰值功率与平均功率的比值，用dB表示，以下统称为峰均比。 可以考虑下面表1列出的信号。 表1. 真实信号及其对应的峰值 Signal Sine wave Sine wave clipped to 10% THD Square wave 0dB Burst signal, 3dB more than 50% duty cycle continuous signal 1.9dB Crest Factor 3dB Description Peak value of sine waves is 1.42x higher than the RMS value. Clipping reduces the peak by 23%, the RMS value only by 12% of their unclipped values. This reduces the ratio by 1.1dB. The absolute voltage is constant, therefore peaks equal the RMS voltage. The RMS of 1 (on) and 0 (off) is 0.707. Reducing the RMS value by 3dB while keeping the peak value increases the ratio by 3dB. Ideal noise has Gaussian amplitude distribution and, Pink noise ~12dB therefore, infinite peaks and crest factor. Real implementations (noise generators, test CDs) have approximately 12dB. Rock music 按照表1，可以得到与真实信号非常接近的仿真信号。 到目前为止，我们一直都在讨论信号源，而我们真正关心的是对应于放大器输出信号的热性能。信号链路有音量和声音控制，允许提供一定增益，但是固定的电源电压限制了峰值输出电压，因此，当我们调高音量时，峰值被削波，而平均功率增大，所以峰均比下降(不同于放大器的输入信号)。 最小峰均比取决于用户能够接受的音频失真程度和设备所能提供的最大增益。消费类电子中，测试信号的最小峰均比最好出现在最恶劣的情况下。 扬声器制造商经过调查研究，发现了一些合适的测试信号。扬声器必须能够处理放大后的信号，而且不会损坏或出现严重的失真。大部分制造商遵循IEC 268-5标准，该标准定义了测试信号:Up to 12dB This value is found when analyzing heavy modulated commercial audio CDs. pink噪声(经过滤波(40Hz高通、5kHz低通，2阶)后的混合频率信号)接近于音乐的频谱分布(图 1)。 图1. IEC 268-5噪声频谱密度 IEC 268-5 测试信号有6dB的峰均比，被视为最差指标。扬声器能够处理的这个信号的平均功率称为“连续功率”指标，但大部分制造商公开的是“节目功率”，功率高出3dB，采用闪烁信号(一分钟打开，一分钟关断)测试，因此，扬声器能够处理峰均比为9dB 的钳位信号。 峰值功率(用峰均比表示)是放大器能够提供的峰值输出功率。放大器的额定输出功率用正弦波测试，其峰均比为3dB;可处理的连续功率比额定放大器功率低6dB。最差情况下，整个装置的连续测试信号为IEC 268噪声，其RMS功率比峰值功率低9dB，比最大正弦波功率低6dB，这是正弦波测试的最大输出功率。 设计放大器的热容量时，不必考虑高于扬声器所能处理的功率。集成放大器通常带有热保护，功放过热时将放大器置于静音状态，功放冷却后自动恢复工作。因为放大器过载可能导致放大器永久性损坏，放大器的热保护门限应低于扬声器保护的实际功率。 放大器类型 电视机使用的音频功放有两种类型:AB类和D类。我们将分析这两种类型的放大器在上述测试中的性能。AB类功放是一种低成本方案，但这类放大器存在较大功耗，需要大的散热器。D类功 放效率较高，缺点是价格昂贵。不过，这一缺陷可以通过一定方式补偿，因为D类放大器对散热要求不高(仅需小尺寸散热器或无需散热器)，IC封装尺寸也更小。此外，由于系统必须通过热测试，所以还需考虑测试成本问题。 为了简化两类放大器的比较，我们假设两种放大器都使用FET (而非双极型)晶体管作为输出级，在给定的电源电压(VCC)、负载(RL)和晶体管导通电阻(RDSON)下，两类放大器的最大输出电压也相同，即最大输出功率相同。 假设采用桥接负载(BTL)输出，流过两个晶体管、RDSON的输出电流加倍(图2)。 图2. BTL放大器的输出级 两类放大器的功耗相差较大，假定输出电压为Ua (输出功率P = Ua,/RL)，我们首先从直流分析入手。 AB类 Dab = [(Ua/Rl) ? (VCC - Ua)] + IQ ? VCC 功耗等于输出电流乘以输出晶体管的压降。 D类 Dd = (Ua/Rl), ? 2 ? RDSON + IQ ? VCC 功耗主要是电阻损耗，(输出电流), ? R。 两类放大器都有一个公共项:IQ ? VCC，其中IQ是静态电流。AB类放大器利用这个电流降低交越失真，而对于D类放大器，该电流代表开关损耗。两类放大器具有相同的静态电流幅度。 通过仿真我们可以进行深入分析，选择一个通用的TV装置，采用12V电源、8Ω扬声器，具体参数如下: VCC = 12V Rl = 8Ω RDSON = 0.3Ω IQ = 0.02A 首先，通过下式计算效率: 图3给出了正弦输入时的效率以及输出信号失真，失真是由于钳位造成的，即电源电压的限制产生的。 图3. 效率与输出功率 下式用于计算输出信号的最大摆幅: 总谐波失真为10%时，输出功率为10W，这时的输出功率被认为是系统的最大输出功率。 从图3可以看出，D类放大器比AB类放大器具有更高的效率，图中仅在两个工作点处D类放大器的效率没有超出AB类放大器: 零输入:两类放大器的功耗为静态功耗，假设二者相同。 无限过载:即使是AB类放大器也产生方波输出，晶体管处于饱和状 态，此时两类放大 器具有相同效率、功耗、输出功率(15.56W)及失真(43.5%)。 对于电池供电产品，效率是至关重要的指标，电源设计人员更加关注放大器的功耗。图4给出了正弦输入时，两类放大器在不同增益下的功耗曲线。 图4. 功耗与输出功率 额定输出功率10W时，AB类放大器的功耗为2.53W，D类放大器的功耗为0.994W。输入信号电平较低时，D类放大器功耗降低，而AB类放大器功耗增大。 当放大器用来放大音乐或语音信号时，这些结果与实际情况如何关联呢? 通过噪声信号可以很好地模拟实际信号，它与音乐信号 具有相同的幅度分布，结果相同。 为了对比实际的收听效果和扬声器的功率处理能力，将x轴从输出功率更改为峰均比，峰均比给出了系统平均输出功率和峰值输出功率(15.56W)的关系。 理想的噪声源峰均比为无穷大，其幅度变化符合“正态分布”，但峰值没有限制。当信号通过仿真放大器时，信号分布会发生变化—输出信号幅度受到电源电压的限制。系统增益变化时，均值(RMS)电压随之改变。如果峰值保持不变，增大RMS电压将减小峰均比。 高峰均比时很少发生削波，但当增益提高时通常会发生削波。图5给出了3dB峰均比下的噪声，输出信号被严重削波。 图5. 3dB峰均比噪声经过放大后的信号 仿真时，我们并不关心噪声的频谱，实际测试使用了IEC 268-5信号，因为有些放大器会降低高频部分的效率。 改变增益时，可以计算可能造成的峰均比消耗(见图5)。 图6. 功耗与功率密度(峰均比) 图6显示从左至右功耗增大，随后，由于峰均比降低而减小。 在15dB至12dB之间，信号被严重削波，听众会调低音量。 9dB是扬声器厂家认为可以接受的最大峰均比。 0dB对应于满量程方波输出。 9dB是最合理的热评估测试点，功耗是: AB类放大器为3.05W D类放大器为0.388W 功耗比为3.05/0.388 = 7.86;在额定功率测量时，功耗比仅为2.53/0.994 = 2.55。 仿真结果显示了重要的信息。 对于AB类功放，热设计的挑战是通过噪声测试。如果所设计的放大器每通道能够吸收3.05W功率，对于每通道功耗为2.53W的额定输出功率也就不是问题，可以连续输出额定功率。 因为两种类型放大器的功耗测试非常相似，二者的输出功率普遍采用正弦波进行热测试。当然，测试中使用正弦波也很容易建立试验环境，但所得到的功耗低于推荐噪声测试的结果。 换句话说，采用正弦波评估AB类放大器的热性能时，所得结果低于扬声器能够处理的功率。 对于D类放大器，结果正好相反，噪声测试功耗为0.388W，而额定输出功率时需要耗散的功率是1W，相差2.56倍。因此，使用哪种信号进行测试，所得结果相差甚远。 因此，使用正弦波测试D类放大器的热特性时，会造成系统规模过大，提高系统成本。对于D类放大器，可以得出以下结论: IC供应商需要更大的裸片面积，以降低RDSON，这是影响效 率的重要因素。 D类放大器需要更大的封装尺寸，以降低芯片与PCB或散热片之间的热阻。 制造商需要提供小的散热片或采用多层PCB，以获得较小的RθJA，RθJA是芯片与环境之间的热阻。 如果利用PCB散热，需要仔细布设大面积的连续覆铜层。这些覆铜层用于传导热量， 而且需要使用多个过孔在层与层之间导热。 老化测试 有时需要更加严格的热性能评估，这种测试称为“老化测试”。老化测试采用了音频处理器所能处理的最大电压作为功放输入，从而产生类似于方波的输出。该测试中，每通道功耗高达1.41W，与AB类放大器没有任何不同。D类放大器要想通过这样的测试，与噪声测试条件相比，散热能力需要改善3.6倍。 结论 在CRT向平板电视的过渡过程中，需要更小尺寸、热耗更低的放大器，厂商基于这一需求推出了D类放大器。即使采用传统的正弦波测试方法，D类放大器的热耗也能降低2.5倍，但是，当使用噪声信号进行热分析时，热耗可进一步降低2.6倍。 当然，工程师也必须应对一个新的挑战:解决EMI问题，需要设计输出滤波器，对于小封装放大器使用裸焊盘散热。现在，我们重新考察一下测试方法，以便了解D类放大器所具备的节省成本的优势。 以下是推荐方法: 检查突发模式的输出功率，在满足THD的要求下采用满功率正弦波。 检查输入为噪声信号或最差工作条件下(语音或音乐信 号)的热容量，这应该与增益设置 相对应，保证即使在最大音量下，信号也不会被削波。 模电课程设计(音频功率放大电路) 1、设计题目:音频功率放大电路 2、设计任务目的与要求: 要求:设计并制作用晶体管和集成运算放大器组成的音频功率放大电路，负载为扬声器，阻抗8 。 指标:频带宽50HZ,20kHZ，输出波形基本不失真;电路输出功率大于8W;输入灵敏度为100mV，输入阻抗不低于47K 。 3、整体电路设计: ?方案比较: ?利用运放芯片 LM1875和各元器件组成音频功率放大电路，有保护电路，电源分别接+30v和-30v并且电源功率至少要50w，输出功率30w。 ?利用运放芯片TDA2030和各元器件组成音频功率放大电路，有保护电路，电源 只需接+19v，另一端接地，负载是阻抗为8 的扬声器，输出功率大于8w。 通过比较，方案?的输出功率有30w，但其输入要求比较苛刻，添加了实验难度。而方案?的要求不高，并能满足设计要求，所以选取方案?来进行设计。 ?整体电路框图: ?单元电路设计及元器件选择: ?单元电路设计: 功率放大器按输出级静态工作点的位置可分为甲类、乙类和甲乙类三种;若按照输出级与负载的耦合方式，甲乙类又可分为电容耦合 (OTL 耦合)、直接耦合(OCL 电路)和变压器耦合三种。变压器耦合容易实现阻抗匹配，但体积大， 较笨重。又OCL电路电源输入要求较高，所以采用OTL电路。采用单电源的OTL电路不需要变压器中间抽头，但需要在输出端接上大电容，且低频特性不如OCL好。根据“虚短”、“虚断”的原理，利用电阻的比值，可求得电路所需的放大倍数，其中可加入一个电位器替代反馈电阻，这样就能够实现电路放大倍数的调整。因为功率放大电路是追求在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率，可以采取OTL电路来实现。为了提高转换功率，我们要对电路进行改善，这主要围绕功率放大电路频率响应的改善和消除非线性失真来改进电路，因此要用到若干个电阻电容来保护电路。OTL电路会产生交越失真，为了消除这种失真，应当设置合适的静态工作点，使电路中的两只放大管均工作在临界导通或微导通的状态，这可 以通过加入两个二极管来实现，因为二极管具有单向导电性。或者将两个有一定对称性的NPN和PNP三极管的基极分别和TDA2030的两个电源输入端相连。最后在输出端，还要加一个大电容来保证电路的低频性良好。在接有感性负载扬声器时还要加入一个电阻和一个电容来减少电路的自激振荡，确保高频稳定性。 ?元器件选择: 如下面的系统原理图所示，C2为输入耦合电容，应选取较小的电解电容;R1、R,、R3和C7的作用是组成运放TDA2030的输入偏置电路，取R1=R2=R3，可计算得TDA2030正向输入端的电压为0.5VCC，而电容C7的作用是可以稳定这个电位。另外，R3是为了防止输入信号被C7短接到地而设的。C6是高频退耦电容，应选用较小的陶瓷电容或独石电容;C3是滤波电容，应选用较大的电解电容。C4、R4、和R11构成交流负反馈，控制交流增益，对于音频信号，可以近似地认为C4短路，所以功放的增益为11+R11(有效部分)/R41+100/3.3=31.3。对于直流信号，可认为C4断路，所有输出信号反馈到反向输入端，所以直流增益为1。取R6=R8和C8可起着保证TIP31和TIP32的基极电压相等，从而减少了推挽电路的交越失真。而R7和C5可以滤除TDA2030输出的高频信号。二极管D1、D2保护运放免受扬声器的感应电压而造成损害。电容C1是输出耦合电容，能够改善电路的低频特性，要用容值较大的电解电容。C9和R10能对扬声器的相位进行补偿，能够较少电路的自激振荡，确保高频稳定性。运放TDA2030内含各种保护电路，需要外接元件非常少，且电路的频带宽较宽，并能在最低?6V最高?22V的电压下工作。另外，它输出功率较大，在?19V、8Ω阻抗时能够输出16W的有效功率，THD?0.1%，所以选用TDA2030能够实现电路的要求。而TIP31C和TIP32C是一对互补性较好的NPN和PNP三极管，集电极和发射极之间所承受的电压也可以高达100V，集电极的电流为3A左右，每只管的功耗也只有 40W左右而已，所以用它们来搭建OTL电路比较合适。 ?系统的电路总图: 4、电路调试过程与结果: ?测试频带宽: 调节电位器R11的阻值，经过测试可得其中一个电路的下限截止频率为fL=6.41Hz，上限截止频率为fH=127.481kHz。当然在50HZ,20kHZ频率范围内电路输出不失真，这满足条件“频带宽50HZ,20kHZ，输出波形基本不失真”的要求。在实验室里也经过测量，显示可以在50HZ,20kHZ频率范围内电路输出不失真。 ?测量输出电压放大倍数: 测试条件:直流电源电压19v，输入信号峰峰值为100mv，输入频率为1KHz，电位器R11的有效阻值为66k ，负载电阻8 。输入和输出的波形如下图所示: 输出电压峰峰值为:Uo=Ui*【1+R11(有效部分)/R4】 放大倍数:Ao=1+R11(有效部分)/R4=1+66/3.3=21 误差分析:因为元件的实际数据大小与理论的大小存在差异,譬如金属膜电阻的阻值误差为1%或5%，电容的容值误差也有5%,20%。实际上1n4001、TIP31、TIP32等元器件跟仿真软件所表现 出来的特性不是完全一样的。同时，音频集成放大芯片发热量比较大，比较容易受到周围环境温度的影响，从而也导致了一定的误差。另外，在实测中读数时会产生误差。 ?测量最大不失真功率: 根据理论可得最大不失真功率为Pm (Uo/2)/RL 2 ,Uo为输出电压峰峰值。经过 测试，在19V的直流电源，8 负载作用下，调节电位器R11，使其允许的最大不失真输入信号为Ui=600mv,其最大不失真功率为:Po=8.4w8w。也满足“电路输出功率大于8W”条件。 ?测量输入灵敏度为100mV时的输入阻抗: 在信号输入端接上两个万用表，分别测量输入端的电压和电流，得Ui?70 .71mV，Ii?716.48nA，所以输入阻抗为Ri=Ui/Ii=98.69K 47K ，明显也满足“输入灵敏度为100mV，输入阻抗不低于47K ”的条件。 5、总结和体会: 方案和作品的优点为: ?焊接板排版较为缜密，焊接没有跳线; ?作品所用元器件较少，电源输入要求较低，频带宽6.41HZ,127.481kHZ，输出波形基本不失真，电路输出功率大于8W，输入灵敏度为100mV，输入阻抗高于47K ，能够基本实现设计的任 务要求; ?电路中有TDA2030的保护电路，另外在输出部分能对扬声器的相位进行补偿，从而能够较少电路的自激振荡，确保高频稳定性; ?作品用了TIP31C和TIP32C组成的推挽放大电路，能够较少TDA2030的功耗，使TDA2030的发热量减少; ?电位器R11能够实现电路增益的调整。 缺点有: ?功率不是很高，最大输出功率只有8.4W; ?TIP31C和TIP32C的功耗都比较大，集电极电流输出不是很大; ?2.2mf的电解电容存在电感，电路的低频特性不是很好; ?电路的电源输入由于没有保护电路，若在调试时正负电源接反可能会把芯片烧坏。 针对4个缺点各自的改进方案: 缺点1:采用双电源供电的OCL电路或者用LM1875或TDA2050等运放和元器件搭建的电路; 缺点2:2SA1444、2SC3694的功耗只有30W左右，而集电极的输出电流可达15A，每只管的耐压值也为100V，可用这两只管代替TIP31C和TIP32C。 缺点3:把电路换成OCL电路; 缺点4:在电源接入端加上二极管保护电路(下图)，这样即可以保证正负电源接反时不导通，又可以在直流电源电错接成交流电时起整流桥的作用。 高保真音频功率放大器电路上海大学 电子技术课程设计报告 —— 高保真音频功率放大器电路 上海大学机自学院自动化系 电气工程及其自动化专业 姓名:***** 学号:****** 指导老师:徐昱琳 2015年6月26日 一、任务及要求 用中小型规模集成电路设计一个高保真音频功率放大器的电路，在EDA软件上完成硬件系统的仿真。 高保真音频功率放大器的技术指标如下: ?正弦波不失真输出功率Po,5W (f=1kHz,RL=8Ω) ?电源消耗 功率PE,10W ( Po,5W ) ?输入信号幅度VS=200,400mV (f=1kHz，RL=8Ω， Po,5W ) ?输入电阻 Ri,10kΩ ( f=1kHz ) ?频率响应 BW=50Hz,15kHz 二、总电路图: 方案特点:该电路是较典型的OTL电路，局部反馈稳定了工作点，总体串联负反馈控制了放大倍数并提高了输入电阻和展宽频带，退耦滤波电容及矫正电容是为防止寄生震荡而设。 三、详细的设计过程如下: (1)电源电压的确定 当负载电压一定时，电源电压的大小直接与输出功率有关，V高保真ocl音频放大电路完整版中北大学 课程设计说明书学生姓名: 学 专 题院:业:目:学号:设计一台高保真OCL音频放大器指导教师:职称: 课程设计任务书1(设计目的: 针对电子线路课程要求，对学生进行实用型电子线路设计、安装、调试等各环节综合性训练，配养学生运用课程中所学的理论与实践紧密结合，独立的解决实际问题的能力。学生必须独立完成一个选题的设计任务。 2(设计内容和要求(包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等):高保真OCL音频放大器的基本功能是把前级送来的声频信号不失真的加以放大，输出足够的功率去驱动负载(扬声器)发出优美的声音。通过功率放大电路，在失真的许可范围内，高效地位负载提供尽可能大的功率。 该音频放大器满足: (1)最大不失真输出功率:POM=10W; (2)负载阻抗(扬声器):RL=8Ω; (3)频率响应:fL=100Hz，fH=15KHz; (4)输入电压:=100mV 设计要求: (1)、分析电路的组成及工作原理; (2)、进行单元电路设计计算; (3)、采用衰减式音频控制电路，或采用OCL音频功率放大器; (4)、说明电路调试的基本方法; (5)、画出完整电路图，并进行小结和讨论。5、失真度:γ=5%。 3(设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)实物样品等〕: (1)、画出电路图，并进行原理图的详细叙述; (2)、给出元器件的型号、数值和元器件封装，画出PCB图; (3)、进行电路仿真，说明电路调试方法; (4)、写出符合格式要求的设计报告。 课程设计任务书4(主要参考文献: 1(毕满清.模拟电子技术基础.北京:电子工业出版社，2008 2(毕满清.电子技术实验与课程设计.第3版.北京:机械工业出版社，2005 3(陈汝全.电子技术常用器件应用手册.第2版.北京:机械工业出版社，2004 4(2000 5(郑步生，吴渭编.Multisim2001电路设计及仿真入门与应用.北京:电子工业出版社，2002 6.张伟.Protel99SE实用教程.北京:人民邮电出版社，2008 5(设计成果形式及要求: 1)电路原理图 2)课程设计说明书 6(工作 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 及进度: 2013年12月23日~12月25日 12月26日~12月27日 12月28日~12月29日 12月29日~1月2日 2014年1月3日答辩。了解设计题目及熟悉资料;确定各题目要求计算相关参数;结合各题目确定具体设计方案;结合要求具体设计并仿真、整理报告; 系主任审查意见: 签字: 年月日 目录 摘 要................................................................................................................................5 一(设计目的、意 义....................................................................................................6 二(设计内 容................................................................................................................6 1.设计题目分 析.....................................................................................................6 2.电路组成及工作原 理.........................................................................................7 3.单元电路设计及计 算.........................................................................................8 4.电路调试仿 真...................................................................................................10 5.元器件清单列 表...............................................................................................10 6.电路 PCB...........................................................................................................11 7.备选方 案...........................................................................................................13 7.1基于TDA2030的双运放OCL音频放大电 路.......................................13 7.2基于LM386的简易OCL音频放大电 路..............................................14 三(结果分 析..............................................................................................................15 四(设计心 得..............................................................................................................15 五(参考文 献..............................................................................................................16 摘要 本设计旨在利用OCL原理设计高保真音频放大电路，主要是阐述 如何利用该原理制作高保真音频放大电路。省去输出端大电容的 功率放大电路通常称为OCL电路。OCL是OTL电路的升级，优点 是省去了输出电容，使系统的低频响应更加平滑。缺点是必须用 双电源供电，增加了电源的复杂性。 关键字:OCL、高保真 Abstract OCLisdesignedtotakeadvantageofthehigh-fidelityaudioamplifiercircuitdesignprinciples,mainlydescribeshowtousetheprincipleofmakinghigh-fidelityaudioamplifiercircuit.EliminatingtheneedforlargecapacitanceofthepoweroutputoftheamplifiercircuitisoftencalledOCLcircuit.OCLisanupgradeOTLcircuit,theadvantageofeliminatingtheoutputcapacitance,lowfrequencyresponseofthesystemsmoother.Thedisadvantageisthatyoumustusedualpowersupply,increasingthesupplyofcomplexity. Keyword:OCL、Hi-Fi 一(设计目的、意义 针对电子线路课程要求，对学生进行实用型电子线路设计、安装、 调试等各环节综合性训练，配养学生运用课程中所学的理论与实践紧密结合，独立的解决实际问题的能力。学生必须独立完成一个选题的设计任务。 本次设计主要考察的是同学们对《模拟电子技术基础》这门课程的掌握情况以及对电子设计调试的水平，综合培养学生们的理论联系实际并且实践提升理论的能力。 二(设计内容 1.设计题目分析 高保真OCL音频放大器的基本功能是把前级送来的声频信号不失真的加以放大，输出足够的功率去驱动负载(扬声器)发出优美的声音。通过功率放大电路，在失真的许可范围内，高效地位负载提供尽可能大的功率。 该音频放大器应满足:最大不失真输出功率:POM=10W;负载阻抗(扬声器):RL=8Ω频率响应:fL=100Hz，fH=15KHz;输入电压:=100mV失真度:γ=5%。 音频功率放大器的作用是使输入信号的音量和功率在输出元件 上重新产生高功率低失真的音频信号。音频频率范围约为100,15KHz，所以要求此功率放大器在100,15KHz的频率范围内有良好的频率响应。输出功率尽可能大，而且要保证失真度。 功率放大电路是一种能量转换电路，要求在失真许可的范围内，高效地为负载提供尽可能大的功率，功放管的工作电流、电压的变化范围很大，那么三极管常常是工作在大信号状态下或接近极限运用状态，有甲类、乙类、甲乙类等各种工作方式。为了提高效率，将放大电路做成推挽式电路，功放管的工作状态设置为甲乙类，以减小交越失真。常见的音频功放电路在连接形式上主要有双电源互补推挽功率放大器OCL(无输出电容)、单电源互补推挽功率放大器OTL(无输出变压器)、平衡(桥式)无变压器功率放大器BTL等。由于功放管承受大电流、高电压，因此功放管的保护问题和散热问题也必须要重视。 OCL电路由于性能比较好，所以广泛地应用在高保真扩音设备中。本课题输出级选用OCL功率放大器，偏置电路选用甲乙类功放电路。为了使电路简单，信 5、 号失真小，本电路选用反馈型音调控制电路。为了不影响音调控 制电路，要求前置输入阻抗比较高，输出阻抗低。 2.电路组成及工作原理 该音频放大器的电路主要由前置放大、音调控制和OCL功率放大等模块组成。 图1 该电路包括差动输入放大电路、电压放大电路、自举电路、交越失真消除电路、复合互补功率放大电路、负反馈电路、扬声器补偿电路。OCL功率放大电路由于采用了全电路直接耦合方式，温度漂移对电路影响较大，故采用差动输入放电电路，抑制温漂效果理想。 图2中Q1、Q2、R1、R2、R3组成单端输入、单端输出的差动放大电路。该放大电路由于采用两个特性相同的放大电路组成对称电路。并且发射极上有公用电阻R2公共作用，达到抑制零点漂移的效果。一方面，共用发射极电阻，使两放大电路由于零漂产生的参数变化同时进行，零漂被抵消，另一方面，共用电阻R2也作为负反馈电阻，通过电流负反馈作用，进一步减少工作点的漂移。 自举电路由C3、R6组成，其作用有二，一是提高输出电路在信号正半周期的工作电压，保证输出信号的正负对称，二是改变输出管的工作状态，提高整个电路的增益，由于信号在正半周期时，基极偏置电阻作用，Q4、Q6并不能达到接近饱和状态，接入电容C3，在信号负半周期时充电，信号正半周期时对Q4基极放点，使Q4接近饱和状态，保证信号放大完整。由于电容C3的容限很大，对交流输出信号的阻抗为零，为了防止自举电容对信号的短路作用。因此，在电源端串联电阻R6，其隔离作用，由于C3、C4的接入，使电路工作方式发生改变，电路增益得到提高。 复合互补推挽功率放大电路是由Q4、Q5、Q6、Q7、R9、R10、R11组成，其中，Q4、Q5组成NPN结构复合管，Q6、Q7组成PNP结构复合管，复合管的电流放大倍数是两管的乘积。 当正半周期信号时，Q4、Q5复合管工作，Q6、Q7截止。当负半周期信号时工作状态翻转，整个信号在复合管相互补充下放大输出。 交越失真消除电路由D1、D2、R8组成，三只元件串联产生的电压降为Q4、Q6提供静态偏置，使输出极工作于甲乙类状态，方便时输出极调整到合适的工作点，二极管D1、D2主要工作是温度补偿，当温度升高时，输出管静态电流增大，同时二极管的管 压降同样会因为温度升高而减少，是输出管的偏置电压降低，静态电流趋于稳定。 反馈系统中，交流反馈系统是由R5、R4、C2组成。它的主要作用是调整电路增益和改善电路非线性失真。增大R5和减少R6都可以提高电路的增益，R5在电路中也起直流负反馈作用。应用差分电路原理，当某种原因使输出中点电压变化，Q1、Q2两管基极电压跟随，使中点电压自动调零，从而自动调节电路进入稳定状态。扬声器补偿电路为保护扬声器。 图2 3.单元电路设计及计算 1.确定电源电压参数: 为了达到设计要求，同时使电路安全可靠地工作，电路的最大输出功率Pom应比设计指标大些一般取Pom?(1.5,2)Po。 由于Pom=V2om/2RL,因此，最大输出电压为Vom=(2POMRL)1/2。考虑到输出功率管 VT6和VT7的饱和压降，所以电源电压常取VCC=(1.2,1.5)Vom。 设计要求Po?10W。所以由以上公式可得 Pom?15,20W Vom?15.5,17.9V VCC?18.6,26.9V 2.确定功率输出管的参数: (1)输出功率管的参数选择。输出功率管VT6、VT7为同类型的NPN型大功率管，其承受的最大反向电压UCEmax?2VCC,每管的最大集电极电流为ICmax?VCC/Rl,每管的最大集电极功耗为PCmax?0.2Pom。再选择两管时除了要注意 β值尽量对称外，其极限参数应满足下列关系: U(BR)CEOUCEmax?2VCC ICMICmax PCMPCmax所以，根据以上分析可得U(BR)CEO48V ICM3A PCM3,4W (2)复合管的参数选择。VT4、VT5分别与VT6、VT7组成复合管，它们承受的最大电压均为2VCC，在估算VT4、VT5的集电极最大电流和最大管耗时，可近似为 ICmax?(1.1,1.5)ICmax/β PCmax?(1.1,1.5)ICmax/β 所以选择VT4、VT5管时，其极限参数应满足 U(BR)CEO2VCC ICMICmax PCMPCmax 所以，根据以上分析可得U(BR)CEO48V ICM0.33,0.45A PCM0.33,0.6W 3.其他参数确定: 部分重要电阻的参数选择:电阻的选择很重要，太小会影响管子的稳定性，太大又会影响输出功率，R11=R13=(5,10)RiT5。(RiT5为VT5管的等效输入电 阻，其大小为RiT5=rbeT5+(1+βT5)。)由于R10、R12为平衡电阻，故R10=R12=R11(R13) ?RiT5。 R14与C9串联的消振网络的参数选择:R14与C9的取值视扬声器的频率响应而定，以效果最佳为好。 4.电路调试仿真 我们本次课程设计进行调试仿真时用到的是美国国家仪器(NI)有限公司的Multisim10。 该软件通过直观的电路图捕捉环境，轻松设计电路;通过交互式SPICE仿真，迅速了解电路行为;借助高级电路分析，理解基本设计特征;通过一个工具链，无缝地集成电路设计和虚拟测试;通过改进、整合设计流程，减少建模错误并缩短上市时间。该软件广泛应用到各大高校的数字、模拟电路电子的教学的工作中。 由于上述参数的计算，全是理论分析，缺乏实践基础，只能为现实仿真提供理论参考，从而我们必须逐级分析，各点测试，进行调试电路的调试。 在测试过程中，我们把整个电路图分解成逐个模块，如前置放大电路模块、音调控制模块和OCL功率放大模块等模块，然后分模块逐级检测电路的各项功能参数是否符合题目要求。 5.元器件清单列表 前置放大电路:名称 电阻 电容 运放 音频输入端子 供电端子参数9个7个NE55321个1个封装AXIAL0.3RB.2/.4(极性)、RAD0.1DIP8SIP2SIP3 音调控制电路: 名称 电阻参数8个封装AXIAL0.3 电容三极管 滑动变阻器 二极管5个3个1个1个RB.2/.4(极性)、RAD0.1TO-5VR1AXIAL0.3 OCL功率放大电路: 名称 电阻 电容 三极管 喇叭 供电端子参数5个4个4个1个1个封装AXIAL0.3RB.2/.4(极性)、 RAD0.1TO-5AXIAL0.3SIP3 6.电路PCB 原理图: 图3 PCB覆铜前: 图4 PCB覆铜后(顶层): 图5 PCB覆铜后(底层): 图6 7.备选方案 由于模拟电子技术需要很精准的参数计算，故而误差在所难免，但随着现今 公司企业制作工艺的升级，集成芯片开始迅猛发展，这为更准确、更快捷、更方便地进行电子设计提供了可能。下面我们选择了两套备选方案: 1.基于TDA2030的双运放OCL音频放大电路 本设计主要由电源部分、音调控制级、功率放大级三部分组成。它的作用主要是放大音频信号。为了保证功放效果，电路采用TDA2030作为功放IC，因为它具有失真小、功率大、外围元件少、开机冲击极小、内含各种保护电路、保真度高等优点。该设计由于集成运放的应用，使得音频放大各方面效果参数得到稳定保障。 TDA2030功率放大管利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作 用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是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永远是基极电流的β倍，β是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的β倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流(或电压)是原先的β倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流 及电压放大，就完成了功率放大。 根据掌握的资料，在各国生产的单片集成电路中，输出功率最大的不过20W，而TDA2030的输出功率却能达18W，若使用两块电 路组成OCL电路，输出功率可增至35W。另一方面，大功率集成块由于所用电源电压高、输出电流大，在使用中稍有不慎往往致使损坏。然而在TDA2030集成电路中，设计了较为完善的保护电路，一旦输出电流过大或管壳过热，集成块能自动地减流或截止，使自己得到保护(当然这保护是有条件的，我们决不能因为有保护功能而不适当地进行使用)。电路原理图: 图7 2.基于LM386的简易OCL音频放大器 LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW,使得LM386特别适用于电池供电的场合。 该设计的有如下特点:静态功耗低，约为4mA,可用于电池供电;工作电压范围宽，4-12V或5-18V;外围元件少;电压增益可调，20-200;失真度低。 电路原理图: 图8 三(结果分析 通过几天的努力，我们的设计内容最后达到了最好的效果。首先，方案一是我们的首选方案，也就是根据OCL功率放大的基本原理自己设计搭建整个基础电路，包括各个参数的选择和模块电路的调试，虽然各方面性能参数达到要求标准，但是整体调试起来比较繁琐，而且外围电路多而杂，影响美观和性能;接着，我们就准备了备选方案，在方案二里，我们选择了集成运放TDA2030，该运放的引用使得整个设计效果得到了提升，各方面的参数(失真度、输出功率等)完美达到预期的要求，但是考虑到自己手工焊制时的误差影响，我们并没有选择这套方案作为我们的实物制作方案;最后，我们开始考虑如何减少外围电路的搭建，使得手工制作OCL放大器能够尽量避免外界干扰和手工制作误差而引起的效果失真，由此LM386便成为了我们进行实物制作时的首选芯片，该芯片由于仿真软件没有该芯片的仿真模型，故而需要自己制作LM386的仿真模型，误差在所难免，但是实际制作的效果还算达标。 四(设计心得 本次课程设计的关键就在于合理设计正确有效的电路图，而我就是我们小组当中进行电路原理的设计工作。 OCL音频功率放大电路的原理设计主要依靠《模电电子设计基础》当中的互补对称功率放大电路的知识，而此次设计的关键就是电路中各个元器件参数的选择。但是，我觉得这些都是在理论学习当中方便同学们理解电路原理的过程，既 然集成电路产业的兴起，这样既无失真地保证了原电路预期效果，而且还简化了设计过程的繁琐，故而我们便选择更为有效的集成运放。 通过本次设计我发现了理论与实践的严重脱钩，理论计算过程的结果只能够作为电子设计的参考元素，而不是绝对标准，至于在实际设计过程当中如何选择参数还是一个逐渐摸索的过程。毕竟，实践才是检验真理的唯一标准。 而且此次课程设计还培养了我们的团结意识，自己的力量毕竟有限，自己的思路也并不一定全面，这就需要小组团队的讨论交流，这样才能发挥每个组员的闪光点，从而得到更加完美的效果。 五(参考文献 1(毕满清.模拟电子技术基础.北京:电子工业出版社，2008 2(毕满清.电子技术实验与课程设计.第3版.北京:机械工业出版社，2005 3(陈汝全.电子技术常用器件应用手册.第2版.北京:机械工业出版社，2004 4(陈大钦.电子技术基础实验——电子电路实验.设计.仿真.北京:高等教育出版社，2000 5(郑步生，吴渭编.Multisim2001电路设计及仿真入门与应用.北京:电子工业出版社，2002 6.张伟.Protel99SE实用教程.北京:人民邮电出版社，2008 音频小信号前置放大电路 音频小信号前置放大电路 1 选题背景 在现在的时代我们的身边有着各种各样对于声音放大的需求，如麦克风，及一些音像设备中是最常见的，随着人们生活质量的提高对于音质的要求也越来越高，简单的音质已经无法满足大家的需求，恶劣的音质也对人们的日常生活有很大的影响，就如同噪音一样，在对音质进行调整中，对其放大是很重要的内容，音频放大电路就是在保持原声的基础上对声音进行放大，对声音中小信号的放大在音频放大电路中也有着很重要的应用，对小信号的放大可以让我们更好的获得对较弱的原声的放大，对较弱的音频进行放大后可以更好的去分析这个音频信号，对于科学研究和电子产品的开发很有帮助，也可以充分的满足人们的需求。 1(1 指导思想 “放大”的本质是实现能量的控制，即能量的转换:用能量比较小的输入信号来控制另一个能源，使输出端的负载上得到能量比较大的信号。放大的对象是变化量，放大的前提是传输不失真。通过NE5532对小信号进行放大，对相应的电阻进行合理的选择以达到对放大倍数的要求，对输出部分串电阻来达到对输出电阻的 要求。 1(2 方案论证 方案一:采用NE5532两级电路放大方法，用运算放大器作音频前置放大电路。其优点是体积小、噪音低、功耗小、一致性较好。利用运算放大器可取得很深的负反馈，同时提高不失真输出，使信号失真度在1%以下。 方案二:采用NE5532一级放大方法，优点是所用资源少，更加的简便，缺点是不稳定，电流过大，故予以否定 综合考虑，采用方案一 1(3 基本设计任务 设计并制作音频小信号前置放大电路。具体要求如下: (,) 放大倍数AV?1000;(40分) (,) 通频带20Hz~20KHz;(40分) (,) 放大电路的输入电阻RI?,M ;输出电阻RO,600 ; (10分) 说明:设计方案和器件根据题目要求自行选择，但要求在通用器 件范围内。 测试条件:技术指标在输入正弦波信号峰值Vpp=10mv的条件进行测试(输入输出电阻通过设计方案预以保证)，设计报告中应有含有详细的测试数据说明设计结果。 评分标准: (,) 测试条件:技术指标在输入正弦波信号峰峰值Vpp=10mv的条件进行测试(输入 输出电阻通过设计方案预以保证)放大倍数AV?1000，得满分; 800?AV1000，得30分;500?AV800，得20分;放大倍数AV500，不得分。放大电路自激，得零分; (,) 通频带20Hz~20KHz，得满分;上限频率小于15KHz，扣10分;上限频率小于10KHz， 扣20分。下限频率不满足要求，扣10分。 (,) 输入电阻不满足设计要求，扣,,分;输出电阻不满足要求，扣,,分; 1(4 发挥设计任务 制作一稳压电源，能够为设计的前置放大电路提供电源。(+5分) 参考元器件:NE5532,TL082或TL084，LM78XX和LM79XX等 主要测试设备:直流电源，信号源，示波器 1(5电路特点 体积小、噪音低、功耗小、一致性较好。利用运算放大器可取得很深的负反馈，同时提高不失真输出，使信号失真度在1%以下。放大倍数容易调整，可以输出满意的波形。 2 电路设计 2.1 电路图 C6 14 图2-1 9 R7600 2.2 工作原理 输入信号由4点输入，经C1滤波后一部分经1M 电阻接地，这样可以保证输入电阻为1M 。另一部分接入NE5532进行第一级放大，放大倍数由电阻R4和R6的倍数进行控制，第二级放大同理是由电阻R3和R5的倍数进行控制，其中R3=R4=10k ,R5=R6=250k ，每一级都可以放大26倍，两级一共可以放大676倍左右，可以充分满足大于500倍的条件，两级放大之间的电容C2起到滤波作用，最后一级的输出经滤波电容C6后接600 的电阻最后接地。这样输出电阻可以达到600 。通频带按NE5532而定，可以满足条件。 3 各主要电路及部件工作原理 3.1NE5532简要说明 NE5532是一种双运放高性能低噪声运算放大器。 相比较大多数 标准运算放大器，如1458，它显示出更好的噪声性能，提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源带宽。这使该器件特别适合应用在高品质和专业音响设备，仪器和控制电路和电话通道放大器。如果噪音非常最重要的，因此建议使用5532A版，因为它能保证噪声电压指标。工作电压为 12V。 NE5532特点: •小信号带宽:10MHZ •输出驱动能力:600Ω，10V有效值 •输入噪声电压:5nV/?Hz(典型值) •直流 益:50000 •交流电压增益:2200-10KHZ •功率带宽: 140KHZ •转换速率: 9V/μs •大的电源电压范围:?3V-?20V •单位增益补偿 . 3.2NE5532放大部分 3.2.1电图路 V1 18 V 3.2.2电路原理 先将NE5532接上 12V的电源，使之正常工作，在正输入端输入信号，输出信号经250K 的电阻，后反馈回NE5532的负输入端，构成负反馈，这级放大可以放大26倍。可以保证波形的不失真。波形完整。 4 调试过程及测试数据(或者仿真结果) 输入电阻 Ri 它是用来衡量放大电路对输入信号源的影响。它可表示为输入电压与输入电流之比 ri=Ui/Ii 输出电阻 Ro 它是用来衡量放大电路所能驱动负载的能力。从输出端看进去的等效电阻就是输出电 阻 4.1 通电前检查 电路安装完毕后，经检查电路各部分接线正确，电源、元器件之间无短路，器件无接错现象。 4.2 通电检查 4.2.1输入信号检查 通电后输入信号经滤波电容波形后正常，稳定 4.2.2 NE5532单元电路的调试 断开其他元件，单独对NE5532进行测试，给定一个输入信号，测试输出，正常，波形稳定，放大明显，通频带满足要求。 4.3 结果分析 当输入为10mV正弦波形时，输出为6V左右的正弦波形，波形和输入基本一致无失真现象可以满足条件要求，通频带在100Hz~10KHz之间，输入电阻为1M ，输出电阻为600 。 5 小结 通过本次课程设计，对NE5532的作用及用法有了更深刻的了解，对音频放大电路的工作原理，设计方法，应用等也有了更好的了解与体会。 6 设计体会及今后的改进意见 6(1 设计体会 经过了这段时间的课程设计我对音频小信号前置放大电路的设计与制作有了深刻的认识，而且从动手到理论学习，到分析，解决在电路制作过程中所遇到的问题都让我有很多的收获，同时这次课程设计也让我了解了设计电路的程序与步骤，了解了关于基本放大电路的基本原理与设计理念，对于设计一个电路总先要理清其设计目的和要求也有了充分的了解，在课程设计中根据所学的知识对其电路图做一些基本的大体上的设计，在不明白不清楚的地方再通过经过查阅相应资料和询问老师同学来弄懂之后再对电路进行相应的改进，在制作电路之前还需通过软件对已设计好的电路进行仿真，根据仿真结果再对电路进行一下分析，再一次的做出改良直至仿真成功可以运行为止。仿真虽然成功但是在实 际操 作中也不见得会如仿真中那么顺利，在操作中会发生许多在电脑中不会发生的事故，虚拟与现实总是存在着一定的差距。比如在实际接线中有着各种各样的条件制约，现实的排版与电脑中的大不一样。而且，在仿真中无法成功的电路接法，在实际中因为芯片本身的特性而能够成功。所以，在设计时应在仿真成功的基础上再次对电路进行改进，找出最佳合的设计方法。本实验的仿真是通过软件Multisim10实现。通过对这款软件的使用，让自己对Multisim10有了初步的了解，对它的基本操作也已掌握，通过此软件让自己避免了许多在实际操作中所遇到的事故，让电路的制作更加的方便，用一台电脑就可以对一个电路做出最基本的分析，这也是本次课程设计给我的最大收获之一。 这次课程设计不仅仅是一个学校给安排任务与课程，这也是对我们在大学前两年所学知识的总结与应用，还有从这次课程设计中区再学习一些新的知识，对我的前两年所学知识的总结我认为自己还是有很多不足的地方，特别是对一些细小环节上，每一个细小的环节都关乎着整个电路的成败，对于最基本的模电知识我还需要更好的去学习，打好自己的基础，一棵大树的成长就在于它的根基，在将来的工作中的成败也在于它的基础。通过这次的实际操作，让我对自己有了重新的去学习与应用，将理论与实践相 结合，也让我体会到纸上谈兵终是不可行了。对于知识的学习，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是远不够的。实践出真理，我们将来得去工业现场去将自己的知识付出以实践来完成工程。在电路制作过程中，遇到了许多问题，如焊点不牢，接线接错，调试失败等等。这都是需要我们自己去分析解决的。当遇到我们无法解决的问题时就需要去请教老师或者是同学。电路制作过程中的问题所造成的原因大都市自己的失误与大意，还有对知识掌握不牢所造成的，在解决这些问题时，需要先弄清楚它所发生的原因，可能造成它发生的原因。然后再一步步的去分析，解决。分析解决电路中出现的问题时这次课设中对自己特别大的提高，电路焊好容易，但是焊对不容易，焊完后所出现的各种问题都需要一个个的去解决，这也是最麻烦，最费心的。只要焊时认真就可以避免许多问题的发生。每次的失败总是伴随着失望与失落，但是每次又重整旗鼓，分析失败原因，从而找出避免和解决问题的方法，一个人是要懂得在失败中成长，我也要从失败中学习，每次失败都是对自己的一次鞭策。失败并不可怕，可怕的是我们不能去正确的面对失败。在刚开始的测试中输出不满足要求，经过了多次排查无法找出原因，最后发现是电阻的选用有问题，将电阻跟换一个合适的后可以实现要求，这说明了自己的大意，在电路连接之前没有对每个部件进行充分的了解所造成的，在今后的学习中一定要予以避免。在这次课设中出现的问题多之又多，但最后还是调试成功，尽管走了些弯路但是还是到达了成功的彼 岸。今后一定需要更加的去强化自 己，让自己少走弯路，少犯错误。 这次课程设计我和我的搭档都非常的努力，期末的时候也没有停止工作，经过了上学期期末和本学期刚开学这段时间才将射程设计做好，不管过程是怎样的，但是结果终究是令人满意的，尽管做的并不完美，但是也积累了很多经验，我们付出了努力也收获了成绩。汗水终是没有白流，对于这次课程设计也更加的了解了它的重要意义。收获颇多，对自己的理论学习与实践学习很有帮助。对于提升自己的水平也是给了一个很好的机会。 尽管，我们最后所得的成绩并不是很高，还有很多的缺陷，但从这次的设计过程中我已经获益匪浅了，从这个过程中学到了很多很多的知识，老师们也不是最看重我们的结果，关键是这个过程，过程中所收获的远比结果重要，有了这次学习的机会，相信对自己在今后的学习中会有很大的帮助，为今后打下了很好的基础。 对设计的建议:我希望学校能多给我们一些类似实践的机会，课题更加的广泛，但是难度也应适当，这样更有助于我们来运用自己所学的知识来解决问题，更好的掌握关于所学电路的资料、原理，以及如何检测电路的方法等。更有利于我们将理论知识与实 践想结合，能更好的将我们在学校所学习的课本知识应用于以后的学习和工作中，以便于在竞争激烈的社会中占有自己的一席之地，实现自己的人生价值。 6.2 本方案特点及存在的问题 特点:体积小、噪音低、功耗小、一致性较好。利用运算放大器可取得很深的负反馈，同时提高不失真输出，使信号失真度在1%以下。放大倍数容易调整，可以输出满意的波形。 问题:稳定效果还需提高，对抗干扰能力也应改善 6.3 改进意见 在输入输出端都已加入了电容进行滤波 参考文献 【1】 华成英、童诗白。模拟电子技术基础. 高等教育出版社. 【2】 康华光.电子技术基础(模拟部分).华中科技大学. 高等教育出版社.2006 【3】 马全喜.电子元器件与电子实习.机械工业出版社.2007 【4】 李志健. 数字电子技术基础实验任务书.陕西科技大学教务 处.2007 【5】 杨刚、周群.电子系统设计与实践.电子工业出版社.2004 附录? 原理总图: 附录? 元器件清单: 9 R7600? ?0 11 音频放大电路设计及其抗干扰研究 [摘 要]本文简单分析了信号接收机音频放大电路的设计方案及应用电路。对接收机的抗干扰性及音频功放的低噪声设计进行了深入分析，提出了抑制和消除噪声的具体措施。 [关键词]音频 放大电路 抗干扰 中图分类号:P101 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2015)40-0002-01 1、概述 信号接收机一种从天线接收并解调无线电信号的电子设备，并制成声音信号反馈给使用者，而这种声音信号接收初期比较微弱，幅值和功率都无法满足输出要求，需要利用音频放大器有效放大音频信号，满足音频信号的输出。任何噪声的加入都可能导致音频信号的无效输出，所以信号接收机的抗干扰性能是系统可靠性的重要指标。在电子设备中，一个电路所受干扰的程度可用下式描述: S=WC/I 其中，S为电子线路受干扰的程度，为干扰发生的强度，C为干扰通过某种途径到达干扰处的耦合因素，，为受干扰电路的抗干扰性能?。笔者将从减少干扰源产生的干扰强度、切断和降低干扰耦合因素和采取各种措施提高电路的抗干扰能力等多方面出发来提高接收机的抗干扰性。 2、音频放大器的设计 音频放大器由前置放大器和功率放大器组成回，原理框图如图1所示。 2.1 前置放大器 信号源前置放大器的作用为:(1)有选择地吸收信号源的信号;(2)对输入信号进行频率均衡或阻抗变换;(3)对信号进行相应的放大，使之能满足功率放大器对输入信号的电平要求，并改善其信噪比。由于LM324运放电路具有电源电压范围宽、静态功耗小、价格低廉等优点，该设计用此放大器代替晶体管进行交流放大，用作功率放大器的前置放大。 2.2 功率放大器 通常在设计音频功率放大器时，需要了解以下6点:(1)所需的输出功率;(2)输入阻抗;(3)输入信号电平;(4)最大电源电压;(5)负载电阻;(6)带宽翻。在笔者的设计中，要求输出功率为16W，输入阻抗?lO0kQ，输入信号电平5V(最大)，负载电阻4Q，带宽20-800Hz(?0.25dB)。笔者选用TDA2030A集成块来设计音频 功率放大器，其输出功率最大可达l8W，电源电压为6-18V，也可单电源供电，输出电流大(最大3.5A)，谐波失真和交越失真小(+14V/4n，THD=0.5%)，电气性能稳定、可靠、适应长时间连续工作且芯片内部具有过载保护和热切断保护电路。 3、抗干扰性分析和低噪声研究 仪器干扰分2种:(1)外部干扰是指那些与系统结构无关而是由于使用条件和外部环境因素所决定的干扰;(2)内部干扰是指由于系统结构、元件布局和生产工艺等所决定的干扰。内部干扰主要有散杂电感和电容的结合引起的不同信号感应、长线传输 造成电磁波的反射、多点接地造成的电位差干扰等[51。抑制和消除干扰的方法主要是明确干扰源、切断耦合途径和降低装置本身对干扰的敏感度。在电路设计和印制板制作过程中所采取的主要抗干扰措施如下。 3.1 硬件设计抗干扰技术 (1)电源的抗干扰措施 来自电源的干扰主要从电源和电源引线侵入系统，当系统与其他经常变动的大负载共用电源时，会产生电源噪声，如电源过压、欠压、浪涌、下陷等尖峰干扰。首先，笔者采用开关稳压电源供电，提高了供电质量;其次，在音频功率放大电路部分设计独立的电源插座，这部分的供电线不经过PCB板，直接用屏蔽线与直流稳压电源相连，避免数字电路中高频成分的串扰;再次，在电源输出端采用大电容并接小电容的方法进一步滤除电源本身的谐波成分，提高供电的稳定性。 (2)地线的处理 数字地线通常有很大的噪声且有很大的电流尖峰，在笔者设计中所有的模拟地线和数字地线分开走线，且音频功放电路部分的地独立于其他模拟地单独布线，最后三种地并联单点接地。 (3)设计硬件滤波器消除高频干扰 由于脑波音乐属于低频信号，为防止高频噪声被功率放大器进一步放大，在功率放大器的输入端设计了一阶低通滤波电路，其上限截止频率 3.2 印制电路板抗干扰技术 (1)地线和电源线的处理 地线和电源线加粗，对用电量较大的主电源走线和主地线特别加粗，以防止细线阻抗使电源和接地电位随负载电流变化而导致噪声增加。电源线和地线基本上分布于印制板的两面，并对部分地线进行覆铜处理，这样可减小接地电阻、减少电流环路面积、降低接地电位差并有利于散热。 (2)器件布置 在制作印制板时，器件布局主要考虑以下3点:?元器件的布局遵循主信号线短且直的要求;?信号输入和输出分别位于功放的两侧，以防止相互干扰;?左右两路放大器的元件对称安放，这样不但有利于两路信号无差别传输，而且使电路板更加美观。 (3)对音频功率放大电路加屏蔽 对整个系统来说，音频功率放大器本身为一强干扰源，笔者在音频功放周围加上屏蔽体(地线圈)且将屏蔽体一点接地，可把电场形成的干扰弧屏蔽掉，使之对邻近导线或回路不产生干扰且可抑制磁场对弱信号回路可能造成的干扰。信号通过小电阻跨接进出屏蔽体，防止信号线与屏蔽体正交处产生的分布电容影响信号的完整性。 4、实验结果 该设计应用于接收机的原理样机中。实验表明，该音频放大器可有效放大接收机的音频信号，其抗干扰设计提高了系统的可 靠性并有效抑制了噪声干扰，输出基本满足设计要求 计算电源电压功率放大器的本质为将电源电能“转化”为音频信号的电能。所以最大电源电压的确定就显得相当重要，一般来说，输出功率和负载阻抗决定了对电源电压有一定的要求。因此，在有效抑制抗干扰的时候可以从以下几方面着手: (1)在峰值输出的幅度。加一个压降(约5V)，得到电源电压的基本值;(2)电源的调整率取决于无负载时的电压，通常要高于15%左右;(3)考虑电网电压的波动，按10%计算，因此，最大电源电压。 (2)由于电阻有分压作用，放大器增益提高，可提供更大的输出功率和动态范围，但随着增益的提高，噪声也相应放大，结果降低了信噪比，也影响了功率带宽。 (3)TDA2030A是一个大功率放大器，为了使器件在正常工作时不发生热关断，提高器件的长期可靠性和系统的稳定性，设计采用铝合金散热片为其散热。 5、结语 本文针抗干扰性能进行了理论计算与仿真分析。通过改变放大器的电压以及增加相关器件，进一步提高了放大电路抗干扰性能，从而实现了音频放大电路的有效信号源。 参考文献 [1]倪其育.音频技术教程[M].北京:国防工业出版社，2011. [2]李洹.LM3875rIIM3876T高性能40W单片音频功率放大器 [J].电声技术，2011(3):50―53. [3]赵永红.简易音频集成功率放大器[J].电子制作，2010(11):17―18. 音频功率放大电路毕业设计论文 音频功率放大电路设计 学院名称: 专 业:班 级: 姓 名: 指导教师姓名: 2012年 6 月 音频功率放大电路设计 摘要:本文所介绍的由单片机控制的音频放大电路，具有操作方便，音质效果 好等特点。而且，整个音频放大器驱动电压范围广，从5V到15V 均可做为音频功率放大电路的驱动电源。 本电路采用 TDA2030 作为功率放大器，工作电压是+15v。它将输入的电流进行放大， 然后驱动喇叭工作。TDA2030具有体积小，输出功率大，失真小 等特点，功率放大器内含多种保护电路，工作安全可靠性高。本 电路通过LF353对音频信号进行前级放大，通过DAC0832对前级 放大进行控制，并通过键盘输入由STC89C52单片机对放大倍数进 行控制由液晶显示放大倍数。 关键词: DAC0832;TDA2030;音频放大器 ;功率 The Design of Audio Power Amplifier Abstract: This paper introduces the microcomputer controlled by the audio amplification circuit, has the advantages of convenient operation, perfect sound quality characteristics. Moreover, the audio amplifier driving voltage range is wide, from 5V to15V can be used as an audio power amplification circuit for the driving power supply. The circuit uses TDA2030 as the power amplifier, the operating voltage is +15v. It will be the input current is amplified, then drives a loudspeaker to work. TDA2030has the advantages of small volume, high output power, low distortion characteristics, power amplifier containing a variety of protection circuit, high operating safety. The circuit through the LF353for audio signal preamplifier, through DAC0832 on the preceding stage amplifying control, and through the keyboard input by the STC89C52 chip amplification control is composed of a liquid crystal display magnification. Keywords: DAC0832 ;TDA2030;audio amplifier;power 目录 第1章 前言 ........................................... 1 1.1课题的意义目的............................................... 1 1.2主要研究 内容范围............................................. 1 1.3应解决的问 题................................................. 1 第2章 总体设计方案 .................................... 2 2.1设计思路..................................................... 2 2.2总体设计方 案................................................. 2 第3章 硬件电路设计 .................................... 4 3.1总体硬件电路................................................. 4 3.2麦克风输 入电路............................................... 4 3.3前级放大电路模 块............................................. 5 3.4单片机设计模 块............................................... 8 3.5液晶显示模 块................................................ 11 3.6数模转换模 块............................................... 19 3.7功率放大模 块............................................... 25 第4章 软件部分设计 .................................. 26 4.1软件总体模块................................................ 26 4.2液晶显示 模块................................................ 26 4.3按键扫描模 块............................................... 27 4.4前级程控放大模 块............................................ 28 第5章 数据分析与电路完善 ............................ 29 5.1相关数据记录分析............................................ 29 5.2功能的改进以及完善.......................................... 29 5.2.1焊接方面的缺陷及完善 .................................. 29 5.2.2软硬 件设计方面的缺陷以及完善 .......................... 30 第6章 总结 .......................................... 31 参考文献 ............................................. 32 致 谢 ................................................ 33 附录: ............................................... 34 1源程序 ........................................................... 34 2硬件电路原 理图 ................................................... 42 第1章 前言 1.1课题的意义、目的 研究音频功率放大器的意义在于，音频功率放大电路设计的领域十分广泛，在我们身边的许多电子产品中都会有它的身影，小到我们平时听歌的mp4，大到城防警报系统，还有许多需要放大音频信号的地方都要用到音频功率放大电路，身为电子信息工程专业的一名毕业生我有必要仔细研究一下它的工作原理以及构成，通过细致的研究希望能在今后的工作以及相关类似产品的研究维修方面给我提供经验。 1.2 主要研究内容、范围 对于音频功率放大电路设计的研究内容由硬件和软件两大部分组成，硬件部分由前级放大电路、功率放大电路、按键电路、喇叭输入电路以及单片机电路组成，软件部分由键盘扫描、液晶显示、单片机控制等部分构成。研究的范围是在音频信号在人耳接受的20~20000Hz的频率范围内对麦克风出入进来的声音信号进行相应放大倍数的放大最后由喇叭输出。 1.3 应解决的问题 我本次研究的课题和我以往研究的课题有很大的不同，原来研究的课题都是对软件的程序上要就比较高，这次的音频功率放大电路设计的难点在于硬件电路各个元器件的选取上，因为功放的技 术指标要求相对较为细致，输入电压输入阻抗，失真度，负载能力等一系列指标的要求下对硬件电路的设计尤其是元器件的选择就要多下功夫进行一些列的计算，需要不断地调试硬件电路才达到了相应的技术指标。软件方面需要解决的问题是熟练掌握C语言对单片机系统进行编程，编写程序时加强对程序层次化设计的能力以及程序的可读性，不断地修改程序最终实现功能。 第2章 总体设计方案 2.1设计思路 2.1.1设计目的及要求 (1) 学习电子电路、单片机的硬件设计与软件编程。 (2) 熟悉各种功放电路的原理，选择合适的音频功放电路。 (3) 进行硬件电路的制作，编写程序并完成软硬件调试。 (4) 撰写论文。 2.1.2技术指标 (1) 音频范围20Hz,20KHz，麦克风输入音频信号。 (2) 失真度0.5%,1%。 (3) 输入电压范围100mV,4V,输入阻抗10KΩ。 (4) 输出负载能力8Ω/4Ω。 2.2总体设计方案 方案一:采用模拟电路设计该音频放大器的设计方案主要由电源部分和功放部分组成，它分别由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四部分组成稳压电源，由TDA2822，耦合电容，电阻组成功放电路。根据电路对不同电压的需求可以由电源部分随时改变电压值，根据电源提供不同的电压值相应功放的带载能力也会不同。由音频信号发生器提供信号源，通过功放管进行功率放大从而达到对音频信号放大的目的，最后用扬声器或是示波器来观测显示结果记录相应的数据。 优点:用模拟电路设计的音频功率放大电路其优点是电路中设计了电源部分，所以在连接电源的过程中会更加的方便且不需要编写任何程序。 缺点:元器件数量颇多加大了焊接的难度，在器件的选择方面难度较大需经过大量的理论计算，调试过程较为复杂且失真度较大。 图2-1硬件原理框图 方案二:该设计思路中由单片机、液晶、键盘、前级放大、功率放大、喇叭等模块组成。 图2-2硬件原理图 缺点:需要掌握相关单片机程序的编写，由于功放和单片机供电不同造成电源连接复杂。 优点:单片机控制下的设计思路就大大简化了硬件电路部分的元器件的选择，一切都可以由不同种类的芯片代替，在设计的指标方面都可以更好的达到标准，简化后期调试工作，通过软件的编写也让电路的操作方面得到了优化，通过按键便可以选取不同的放大倍数，这样的操作方式也更具人性化更符合电子产品设计的初衷[1]。 综上所述:选择采用单片机为核心的设计思路对音频功率放大电路进行下一步系统的设计工作。 第3章 硬件电路设计 3.1总体硬件电路设计 以单片机为核心的音频功率放大电路硬件电路主要有单片机外围电路，液晶显示电路，麦克风输入电路，前级放大电路数模转换电路，功率放大电路组成[2]。硬件部分由麦克风输入音频信号经过前级放大将音频信号进行放大然后由单片机控制DAC0832进行放大倍数的选择再经过功率放大输出给喇叭再由喇叭输出放大之后的音频信号，下面分别介绍各模块的硬件电路[2,3,4]。 图3-1硬件电路总体框图 3.2麦克风输入电路 麦克风在输入之前采用模拟电路的放大电路对声音信号进行放大[10]，由于采用的是驻极体话筒所以由话筒得到的信号十分微弱需要放大电路对信号进行放大处理。 图3-2麦克风输入电路图 3.3前级放大电路模块设计 3.3.1前级放大模块的比较以及选定 (1) 选用继电器控制前级放大 1K 图3-3继电器控制前级放大图 用继电器控制对不同阻值大小的电阻的选择进而可以控制不同 的放大倍数。 (2)模拟开关控制前级放大 图3-4模拟开关控制前级放大图 用模拟开关的断和同来控制放大倍数。 (3)用DAC0832程控前级放大 out 图3-5 DAC0832控制前级放大 前级放大100倍后用单片机控制DAC0832进行衰减。 由以上三种方案可以看出，用电磁继电器和用模拟电路控制选择不同的放大倍数来达到放大的目的电路较为复杂且焊接繁琐，因为选择不同的放大倍数所以对放大倍数的精确性要求就很高就;需要前期进行大量的理论计算和实际调试且对于今后的放大倍数的操作也十分不简便，而用STC89C52控制DAC0832来改变参考电压的大小，由前级放大电路提供参考电压然后再由11脚输出改变的电压信号给功率放大电路，这样使得操作简便也大大简化了电路，所以综上比较选择第三种方案。 [9] 3.3,2前级放大的设计 前级放大电路是由运放LF353前级放大分别放大10倍，总共放大100倍。LF353的工作电压是+15v，将7号输出脚的信号作为DAC0832的输入。 图3-6前级放大硬件电路 out 3.4 STC89C52电路设计 3.4.1 STC89C52单片机介绍 STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上， 拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。 STC89C52具有以下标准功能:8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 图3-7 STC89C52引脚图 3.4.2 STC89C52单片机设计 STC89C52是比较常用的52系列单片机。它的工作电压是+5v。外围电路加上12M的晶振，使其正常工作。P0端口通过附加1K的排阻来提高电路带载能力，P0连接液晶显示模块，P1端口用来连接按键模块，P2端口控制DAC0832通过对P2端口赋值来改变 输 出增益的大小。通过11，12脚连接下载线并将写好的程序下载到单片机当中。 图3-8单片机模块引脚图 3.4.3单片机时钟电路设计 STC89C52等CMOS型单片机内部有一个可控的反相放大器，引脚XTAL1、XTAL2为反相放大器的输入端和输出端，在XTAL1、XTAL2上外接晶振(或陶瓷谐振器)和电容便组成振荡器。 电容C1、C2的典型值为30pF 10pF(晶振)或40pF 10pF(陶瓷谐振器)。振荡器频率主要取决于晶振(或陶瓷谐振器)的频率，但必须小于器件所允许的最高频率。振荡器的工作受(PCON.1)控制，复位以后PD=0振荡器工作，可由软件置“1”PD，使振荡器停止振荡，从而使整个单片机停止工作，以达到节电目的。CMOS型单片机也可以从外部输入时钟。 图3-9单片机时钟电路图 3.5 1602液晶电路设计 3.5.1 1602液晶介绍 液晶显示器简称LCD显示器，它是利用液晶经过处理后改变光线的传输方向的特性实现显示原理的。液晶显示器具有体积小、重量轻、功耗极低、显示内容丰富、无辐射危险，平面直角显示以及影相稳定不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强等特点，在单片机应用中得到了日益广泛的应用。液晶显示器按其功能可分为三类:笔段式液晶显示器、字符点阵式液晶显示器和图形点阵式液晶显示器。前两种可显示数字、字符和符号等，而图形点阵式液晶显示器还可以显示汉字和任意图形，达到图文并茂的效果。 字符型的液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式液晶显示模块，它是由若干个5*7或5*11等点阵符位组成 的，每一个点阵字符位都可以显示一个字符。点阵字符位之间有一定点距的间隔，这样就起到了字符间距和行距的作用。 要使用点阵式LCD液晶显示器，必须有相应的LCD控制器、驱动器来对LCD显示器进行扫描、驱动，以及一定空间的ROM和RAM来存储写入的命令和显示字符的点阵。现在往往将LCD控制器、驱动器、RAM、ROM和LCD显示器连接在一起，称为液晶显示模块LCM。使用时只要向LCM送入相应的命令和数据就可以实现显示所须的信息。 目前市场上常用的有16字?1行，16字?2行，20字?2行和40字?2行等的字符液晶显示模块。这些LCM虽然显示字数各个不相同，但是都有相同的输入输出界面。 本设计中所用的液晶显示模块的显示容量为16?2字符型液晶显示模块;芯片工作电压:4.5—5.5V;工作电流:2.0mA(5.0V);模块最佳工作电压:5.0V;字符尺寸: 2.95?4.35(W?H)mm。 1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，1602LCD采用标准的14(无背光)或16脚(带背光)接口，各引脚接口说明如表三所示: 第1脚:VSS 电源地。 第2脚:VDD接5V正电源。 第3脚:VL液晶显示偏压信号，为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个电位器调整对比度。 第4脚:RS为寄存器选择，数据/命令选择端，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 第5脚:R/W为读/写选择端，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。 第6脚:E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第7,14脚:D0,D7为8位双向数据线。 第15脚:BLA背光源正极。 第16脚:BLK背光源负极。 1602的内部结构以及显示原理 液晶显示模块RT—1602C的内部结构可以分成三部分:一为LCD控制器，二为LCD驱动器，三为LCD显示装置。 图3-10液晶显示模块RT—1602C的内部结构 控制器采用HD44780，驱动器采用HD44100。HD44780是集控制器、驱动器于一体，专用于字符显示控制驱动集成电路。HD44100是作扩展显示字符位的。HD44780是字符型液晶显示控制器的代表电路。 HD44780集成电路的特点: (1)可选择5*7或5*10点字符。 (2) HD44780不仅可作为控制器，而且还具有驱动16*40点阵液晶像素的能力，并且HD44780的驱动能力还可通过外接驱动器扩展360列驱动。HD44780可控制的字符高达每行80个字，也就是5*80=400点，HD44780内藏有16路行驱动器和40路列驱动器，所以HD44780本身就具有驱动16*40点阵LCD的能力(即单行16个字符或两行8个字符)。如果在外部加一HD44100外扩展40路/列驱动，则可驱动16*2LCD。 (3)HD44780的显示缓冲区DDRAM、字符发生存储器(ROM)及用户自定义的字符发生器CGRAM全部内藏在芯片内。 HD44780有80个字节的显示缓冲区，分两行，地址分别为00H—27H，40H—67H，它们实际显示位置的排列顺序跟LCD的型号有关，液晶显示模块RT—1602C的显示地址与实际显示位置的关系。 HD44780内藏的字符发生存储器(ROM)已经存储了160个不同的点阵字符图。 表3-1 1602的标准字库 这些字符有阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。如数字“1”的代码是00110001B(31H)，又如大写的英文字母“A”的代码是01000001B(41H)，可以看出英文字母的代码与ASCII编码相同。要显示“1”时，只需将ASCII码31H存入DDRAM指定的位置，显示模块将在相应的位置把数字“1”的点阵字符图形显示出来，我们就能看到数字“1”了。 (3)D44780具有8位数据和4位数据传输两种方式，可与4/8位CPU相连。 (4)D44780具有简单而功能较强的指令集，可实现字符移动、闪烁等显示功能。 HD44780的工作原理: 示数据存储器DDRAM DDRAM用来存放要LCD显示的数据，只要将标准的ASCII码送入DDRAM，内部控制电路会自动将数据传送到显示器上。 符发生器CGROM HD44780内藏的字符发生存储器(CGRAM)，存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有:阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。 字符发生器CGRAM CGRAM是供使用者储存自行设计的特殊造型的造型码RAM，CGRAM共有512BIT(64字节)。一个5*7点矩阵字型占用8*8BIT，所以CGRAM最多可存8个造型。 指令寄存器IR 指令寄存器IR负责储存单片机要写给LCM的指令码。当单片机要发送一个命令到IR时，必须要控制LCM的RS、R/W及E这三 个引脚，当RS及R/W引脚信号为0，E引脚信号由1变为0时，就会把在D0—D7引脚上的数据送入IR。 数据寄存器DR 数据寄存器DR负责储存单片机要写到CGRAM或DDRAM的数据，或储存单片机要从CGRAM或DDRAM读出的数据，因此DR可视为一个数据缓冲区，它也是由LCM的RS、R/W及E这三个引脚来控制。当RS及R/W引脚信号为1，E引脚信号为1时，LCM会将DR内的数据由D0—D7输出。以供单片机读取;当RS引脚信号为1，E引脚信号由1变为0时，就会把在D0—D7引脚上的数据存如DR。 忙碌标志信号BF(忙标志) BF的功能是告诉单片机，LCM内部是否正忙着处理数据。当BF=1时，表示LCM内部正在处理数据，不能接受单片机送来的指令和数据。LCM设置BF的原因为单片机处理一个指令的时间很短，只需几微秒的时间，而LCM需要40US-1.64MS的时间，所以单片机要写数据或指令到LCM之前，必须先查看BF是否为0。 地址计数器AC AC的工作是负责计数写到CGRAM、DORAM数据的地址，或从DDRAM、CGRAM读出数据的地址。使用地址设定指令写到IR后，则地址数据会经过指令解码器，再存入AC。当 单片机从DDRAM或CGRAM存取资料时，AC依照单片机对LCM的操作而自动修改它的地址计数值。 表3-2 HD44780接口部信号逻辑功能组合表 用单片机来控制LCM，方式十分简单，LCM其内部可以看成两组寄存器，一个为指令寄存器IR，一个为数据寄存器DR，由RS 引脚来控制。所有对指令寄存器或数据寄存器的存取均需要检查LCM内部的标志BF，此标志用来告知正在工作，并不允许接受任何的控制命令。而此位的检查可以令RS=0，用读取D7来加以判断，当D7为0时，才可以写入指令或数据寄存器。LCM控制指令有11组，以下分别介绍。 表3-3 清屏功能 指令代码为01H，将DDRAM数据全部填入“空白”的ASCII代码20H，执行此指令将清除显示器的内容，同时光标移到左上角。 表3-4 光标归位功能 指令代码为02H，地址计数器AC被清0，DDRAM数据不变，光标移到左上角。X表示可以为0也可以为1。 表3-5 输入方式设置 当I/D=1时，光标从左向右移动;I/O=0时，光标从右往左移动。当S=1时，内容移动，S=0时，内容不移动。 表3-6显示开关控制 指令代码为08H—0FH。该指令控制字符、光标以及闪烁开与关，有3个状态位D、 C、B，这3个状态位分别控制着字符、光标和闪烁的显示状态。D是字符显示状态位。当D=1时为开显示，D=0时为光标移动。光标为底线形式(5*1点阵)，光标的位置由地址指针计数器AC确定，并随其变动移动。当AC值超出了字符的显示范围，光标将随之消失。B是光标闪烁显示状态位。当B=1时;B=0时，光标不闪烁。 表3-7 光标、字符位移 执行该指令将产生字符或光标向左或向右滚动一个字符位。如果定时间隔地执行该指令，将产生字符或光标的平滑滚动。 表3-8功能 设置 设置数据位数，当DL=1时数据位为8位，DL=0时数据位为4位。设置显示行数，当N=1时双行显示，N=0时单行显示。设置字形大小，当F=1时5*10点阵，F=0时为5*7点阵。 表3-9 CGRAM地址设置 CGRAM的地址，地址范畴为0—63。 表3-10 DDRAM地址设置 该指令将7位的DDRAM地址写入地址指针计数器AC内，随后，单片机对数据的操作是对DDRAM饿读/写操作。 表3-11读BF及AC值 读忙标志及地址计数器AC命令。当BF=1时表示忙，这时不能接受命令和数据:BF=0时表示不忙。低7位为读出的AC的地址，值为0—127。 表3-12写DDRAM或CGRAM命令 向DDRAM或CGRAM当前位置中写入数据。对DDRAM或CGRAM写入数据之前须设定DDRAM或CGRAM的地址。 表3-13 读DDRAM或CGRAM命令 从DDRAM先须设定DDRAM或CGRAM的地址[5]。 3.5.2 1602液晶模块设计 液晶1602主要由程序进行控制显示，与单片机的P0口相接。P0口接1k的排阻以提高带载能力，1602显示容量为16乘2个字符，工作电压为+5v。图3-11为液晶1602的引脚图。 图3-11 1602引脚图 3.6数模转换模块设计 3.6.1 DAC0832介绍 DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成[6]。 图3-12 DAC0832引脚图 3.6.2 DAC0832模块设计 DI0~DI7:数据输入线，TLL电平。ILE:数据锁存允许控制信号输 入线，高电平有效。CS:片选信号输入线，低电平有效。WR1:为输入寄存器的写选通信号。XFER:数据传送控制信号输入线，低电平有效 。WR2:为DAC寄存器写选通输入线。Iout1:电流输出线。当输入全为1时Iout1最大。Iout2:电流输出线。其值与Iout1之和为一常数。Rfb:反馈信号输入线,芯片内部有反馈电阻。 Vcc:电源输入线 (+5v~+15v)。Vref:基准电压输入线 (-10v~+10v ) AGND:模拟地,摸拟信号和基准电源的参考地。DGND:数字地,两种地线在基准电源处共地比较好。 图3-13 DAC0832模块设计图 3.7功率放大模块设计 3.7.1 功率放大器的介绍 1.传统的数字语音回放系统包含两个主要过程 (1)数字语音数据到模拟语音信号的变换(利用高精度数模转换器DAC)实现; (2)利用模拟功率放大器进行模拟信号放大，如A类、B类和AB类放大器。从1980年代早期，许多研究者致力于开发不同类型的数字放大器，这种放大器直接从数字语音数据实现功率放大而不需要进行模拟转换，这样的放大器通常称作数字功率放大器或者D类放大器。 A类放大器 A类放大器的主要特点是:放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近,晶体管在输入信号的整个周期内均导通。放大器可单管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小。电路简单，调试方便。但效率较低，晶体管功耗大，功率的理论最大值仅有25,，且有较大的非线性失真。 由于效 率比较低 现在设计基本上不再使用。 B类放大器 B类放大器的主要特点是:放大器的静态点在(VCC，0)处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。在Vi的正半周期内，Q1导通Q2截止，输出端正半周正弦波;同理，当Vi为负半波正弦波(如图虚线部分所示)，所以必须用两管推挽工作。其特点是效率较高(78%)，但是因放大器有一段工作在非线性区域内，故其缺点是”交越失真”较大。即当信号在-0.6V~ 0.6V之间时，Q1 Q2都无法导通而引起的，所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。 AB类放大器 AB类放大器的主要特点是:晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作。可以避免交越失真。交替失真较大，可以抵消偶次谐波失真。有效率较高，晶体管功耗较小的特点。 D类放大器 D类(数字音频功率)放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM数 字信息变换成PWM(脉冲宽度调制)或PDM(脉冲密度调制)的脉冲信号,然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器，也称为开关放大器。具有效率高的突出优点。数字音频功率放大器也看上去成是一个比特的功率数模变换器。放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路(半桥式和全桥式)和低通滤波器(LC)等四部分组成。D类放大或数字式放大器。系利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号的。 (1)具有很高的效率，通常能够达到85%以上。 (2)体积小，可以比模拟的放大电路节省很大的空间。 (3)无裂噪声接通。 (4)低失真，频率响应曲线好。外围元器件少，便于设计调试。 A类、B类和AB类放大器是模拟放大器，D类放大器是数字放大器。B类和AB类推挽放大器比A类放大器效率高、失真较小，功放晶体管功耗较小，散热好，但B类放大器在晶体管导通与截止状态的转换过程中会因其开关特性不佳或因电路参数选择不当而产生交替失真。而D类放大器具有效率高低失真，频率响应曲线 好。外围元器件少优点。AB类放大器和D类放大器是目前音频功率放大器的基本电路形式。 T类放大器 T类功率放大器的功率输出电路和脉宽调制D类功率放大器相同，功率晶体管也是工作在开关状态，效率和D类功率放大器相当。但它和普通D类功率放大器不同的是: (1)它不是使用脉冲调宽的方法，Tripath公司发明了一种称作数码功率放大器处理器“Digital Power Processing (DPP)”的数字功率技术，它是T类功率放大器的核心。它把通信技术中处理小信号的适应算法及预测算法用到这里。输入的音频信号和进入扬声器的电流经过DPP数字处理后，用于控制功率晶体管的导通关闭。从而使音质达到高保真线性放大。 (2)它的功率晶体管的切换频率不是固定的，无用分量的功率谱并不是集中在载频两侧狭窄的频带内，而是散布在很宽的频带上。使声音的细节在整个频带上都清晰可“闻”。 (3)此外，T类功率放大器的动态范围更宽，频率响应平坦。DDP的出现，把数字时代的功率放大器推到一个新的高度。在高 保真方面，线性度与传统AB类功放相比有过之而无不及。 综上所述，本电路选择的TDA2030为AB类功率放大器。 2.功率放大器原理 高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。 高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器;宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。 在 “低频电子线路”课程中已知，放大器可以按照电流导通角的不同，将其分为甲、乙、丙三类工作状态。甲类放大器电流的流通角为360o，适用于小信号低功率放大。乙类放大器电流的流 通角约等于 180o;丙类放大器电流的流通角则小于180o。乙类和丙类都适用于大功率工作。丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。 高频功率放大器大多工作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大，因而不能用于低频功率放大，只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。 除了以上几种按电流流通角来分类的工作状态外，又有使电子器件工作于开关状态的丁类放大和戊类放大。丁类放大器的效率比丙类放大器的还高，理论上可达100,，但它的最高工作频率受到开关转换瞬间所产生的器件功耗(集电极耗散功率或阳极耗散功率)的限制。如果在电路上加以改进，使电子器件在通断转换瞬间的功耗尽量减小，则工作频率可以提高。这就是戊类放大器。我们已经知道，在低频放大电路中为了获得足够大的低频输出功率，必须采用低频功率放大器，而且低频功率放大器也是一种将直流电源提供的能量转换为交流输出的能量转换器。高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高，但二者的工作频率和相对频带宽度却相差很大，决定了他们之间有着本质的区别。低频功率放大器的工作频率低，但相对频带宽度却很宽。例如，自20至 20000 Hz，高低频率之比达 1000倍。因 此它们都是采用无调谐负载，如电阻、变压器等。 高频功率放大器的工作频率高(由几百kHz一直到几百、几千甚至几万MHz)，但相对频带很窄。例如，调幅广播电台(535,1605 kHz的频段范围)的频带宽度为 10 kHz，如中心频率取为 1000 kHz，则相对频宽只相当于中心频率的百分之一。中心频率越高，则相对频宽越小。因此，高频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。由于这后一特点，使得这两种放大器所选用的工作状态不同:低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类(限于推挽电路)状态;高频功率放大器则一般都工作于丙类(某些特殊情况可工作于乙类)。近年来，宽频带发射机的各中间级还广泛采用一种新型的宽带高频功率放大器，它不采用选频网络作为负载回路，而是以频率响应很宽的传输线作负载。这样，它可以在很宽的范围内变换工作频率，而不必重新调谐。综上所述可见，高频功率放大器与低频功率放大器的共同之点是要求输出功率大，效率高;它们的不同之点则是二者的工作频率与相对频宽不同，因而负载网络和工作状态也不同。 高频功率放大器的主要技术指标有:输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度(或信号失真度)等。这几项指标要求是互相矛盾的，在设计放大器时应根据具体要求，突出一些指标，兼顾其他一些指标。例如实际中有些电路，防止干扰是主要矛盾，对 谐波抑制度要求较高，而对带宽要求可适当降低等。功率放大器的效率是一个突出的 问题，其效率的高低与放大器的工作状态有直接的关系。放大器的工作状态可分为甲类、乙类和丙类等。为了提高放大器的工作效率，它通常工作在乙类、丙类，即晶体管工作延伸到非线性区域。但这些工作状态下的放大器的输出电流与输出电压间存在很严重的非线性失真。低频功率放大器因其信号的频率覆盖系数大，不能采用谐振回路作负载，因此一般工作在甲类状态;采用推挽电路时可以工作在乙类。高频功率放大器因其信号的频率覆盖系数小，可以采用谐振回路作负载，故通常工作在丙类，通过谐振回路的选频功能，可以滤除放大器集电极电流中的谐波成分，选出基波分量从而基本消除了非线性失真。 所以，高频功率放大器具有比低频功率放大器更高的效率。高频功率放大器因工作于大信号的非线性状态，不能用线性等效电路分析，工程上普遍采用解析近似分析方法——折线法来分析其工作原理和工作状态。这种分析方法的物理概念清楚，分析工作状态方便，但计算准确度较低。以上讨论的各类高频功率放大器中，窄带高频功率放大器:用于提供足够强的以载频为中心的窄带信号功率，或放大窄带已调信号或实现倍频的功能，通常工作于乙类、丙类状态。宽带高频功率放大器:用于对某些载波信号频率 变化范围大得短波，超短波电台的中间各级放大级，以免对不同fc的繁琐调谐。通常工作于甲类状态。 3.7.2 TDA2030的介绍 TDA2030A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。 3.7.3 TDA2030模块设计 TDA2030的工作电压是+15v。它将输入的电流进行放大，然后驱动喇叭响。利用TDA2030进行功率放大。TDA2030具有体积小，输出功率大，失真小等特点。功率放大器内含多种保护电路，工作安全可靠性高，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，以及负载泄放电压反冲等。其中，热保护电路能够容易承受输出的过载，甚至是长时间的，或者环境温度超过时均起到保护作用。与普通电路相比较，散热片可以有更 小的安全系数[8]。结温超过时，也不会对器件有所损害。 [7] 图3-14 TDA2030模块电路图 第4章 软件部分设计 4.1软件总体设计 图4-1软件总体流程图 4.2 液晶显示部分 液晶显示子程序，通过对液晶中RS，RW，E等的设置，使液晶可以显示程序所需要的结果。 图4-2 液晶显示子程序流程图 4.3按键扫描部分 图4-3按键扫描部分流程图 按键部分主要通过按键扫描程序对案件进行扫描，通过按键的扫描程序来判断是否 有按键输入，延时采用15ms。五个按键分别设定为0、10、20、30、40db的键值，当有按键按下时就会存储相应按键锁设定好的键值。 4.4程控放大部分 首先单片机通过从按键扫描程序中得到的键值进行调用，经过键值调用程序的调用之后将得到的键值数据传送至前级程控放大DAC0832，再根据所得到的键值数来改变前级放大输入参考电压值，键值设定为0、10、20、30、40db。 图4-4程控放大部分流程图 第5章 数据分析与电路完善 在数据测试过程中主要通过万用表对输出电压，负载等相关数据进行测量并进行相应的记录，根据不同的输入电压以及不同的负载可以得到不同的数据，通过对一系列数据的测试结果进行分析从而得到一定规律和结果。影响功率放大电路的因素主要有输出功率大小，负载的大小，输出功率的大小以及失真度大小，在数据测试的过程中需要逐一的将以上数据测试并记录下来，不能直接测得数据通过计算公式间接求得。 5.1相关数据记录分析 表5-1数据记录表 根据公式:Po U 2 RL 可以得到输出功率，其中U为输出电压值，RL为负载。 失真有多种:谐波失真、互调失真、相位失真等等。我们平常所说的失真度的技术术语为总谐波失真，英文为:Total Harmonic Distortion，简称THD。一般在多媒体音箱的功放电路上，THD的指标是指在fo,10KHz正弦波输入，功率在1/2额定输出功率时的总谐波失真，这个指标我们可以很容易地做到0.5%以下。但是，当音量开大，功放的功率达接近额定功率时，THD会开始急剧增加，这主要是由于电源功率的限制，使功放输出出现了削波现象，也就是我们所说的削波失真，这个时候它是THD中的最主要成分。 谐波失真是由放大器的非线性引起的，失真的结果是使放大器输出产生了原信号中没有的谐波分量，使声音失去了原有的音色，严重时声音会发破、刺耳。多媒体音箱的谐波失真在标称额定功率时的失真度均为10%，要求较高的一般应该在1%以下。 公式 u2,u3, ,un u 1 222 100%可以测得失真度，式中，U1为输出信号基波有效 值，U2、U3等为各次谐波有效值。 根据公式分别得出负载分别为4 ?，8 ?时的失真度分别为2.1%，2.5%。 以上使用音频信号发生器作为输入时得出的数据，从数据的结果可以看出该电路在失真度上还是没有达到起初设计时的要求，失真度大于了1%的最大要求。 当用麦克风做输入，喇叭做输出的时候得到的声音是有杂音的且得到放大的声音信号不是很清晰，随着放大倍数的增高，声音信 号也就越不清晰，这是由于失真度没有达到要求造成的。推究失真度大的原因是因为在输入端我采用的是模拟电路对麦克风的声音信号进行放大信号处理的时候由于没有掌握好元器件的选择导致在输入环节就已经造成较大的失真，所以在后续的放大中失真越来越大，导致了板子没有控制好失真，最终使得失真度大于设计要求[14]。 5.2功能的改进以及完善 5.2.1 焊接方面的缺陷及完善 在焊接方面，由于为了省时，我采用了大量的杜邦线进行连线，由于该电路线路相对复杂再加上使用的杜邦线过多，导致板子上线路错综复杂，给后续的调试工作带来了不小的难度，在携带时，过多的杜邦线总会松动掉落，给板子的携带也造成了很大的影响。在今后板子的制作当中我会尽量避免使用过多的杜邦线，采用在板子背后用走锡的方法连线，这样既加快了硬件电路的焊接时间也解决了板子线路脱落的问题。在焊接时由于我没有掌握功率放大器需要装散热片这一理论知识，在板子布局上过于紧密，导致最后没有办法安装散热片，没有散热片就只能减少板子通电的时间来保护功率放大器不会因过热而烧毁，这样就给我在演示和测试数据时不时的就要断电散热给我带了不小的麻烦，让我在以后 的硬件电路焊接中更加细致合理的对板子进行布局。 5.2.2软硬件设计方面的缺陷以及完善 (1)硬件方面完善 在硬件方面的设计缺陷主要体现在由于采用的传统模拟电路的放大方式对声音信号进行处理，导致出入板子之前的信号就已经造成了很大的失真再进过后续的前级放大 已经功率放大之后失真会更加的严重，所以我打算对板子的输入端进行改进，因为输入指标中要求输入电压为100mv~4v,所以采用运放LF353来代替模拟电路的放大功能以降低输入端的失真度从而改善失真度达到设计之初对失真度的设计要求。 out 图5-1硬件改进电路图 (2)软件方面完善 软件方面设计方面对按键设置不够理想，只能够死板的选择0、10、20、30、40db的放大倍数，对放大倍数的选择不够灵活且没有设置复位按键，软件的过于简化给硬件的功能上带来了缺陷，可以通过设置复位按键以及对按键进行重新设定来改善不足。可以设置两个按键为增减放大倍数，一个按键复位，另一个按键设置为确认键，这样进行改善可以省去一个按键还可以使操作上更加灵活。 第6章 总结 此次毕业设计是我大学生活的最后一步，从最初的选题、开题、到实物的焊接、调试、写论文直到完成论文。其间，查找资料，老师指导，与同学交流，反复修改论文，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。 通过这次实践，我了解了音频功率放大器用途及工作原理，熟悉了音频功率放大器的设计步骤，锻炼了设计实践能力，培养了自己独立设计能力。此次毕业设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是走向工 作岗位前的一次热身。此次毕业设计中出现了不少问题比如音频信号发生器与麦克风输入信号就会有所不同而且硬件上面也会有所不同，由于电压加的过高导致功放以及液晶单片机均被烧毁过，买的喇叭功率太小结果也被烧掉，当时信心被一次次器件的烧毁所消磨殆尽，但经过不懈的努力我还是完成板子的制作但是由于自己能力有限板子的失真度还是比计划上的要大，这也是我本次毕业设计当中的一个遗憾，有遗憾也有收获毕业设计收获很多，比如学会了查找相关资料，分析数据，提高了自己的制作能力。进一步加强了我的编程能力，使我看到了自己有许多需要提高和改进的地方，也增强了我学习本专业的兴趣和信心，给我了工作以前对电路设计的经验，也让我学会遇到困难只要你肯努力去解决问题，保持良好乐观的心态问题总会一点点被解决。 马上要毕业了，自己的求学之路还很长，以后更应该在工作实践中不断学习，努力使自己 成为一个对社会有所贡献的人。 参考文献 [1]严毅.音箱集成电路应用[J].电路设计.1999,10:5-6 [2]余锡存,曹国华.单片机原理及接口技术[M].陕西:西安电子科技大学出版社.2000,7 [3]蔡杏山.零起步轻松学电子电路[M].北京:人民邮电出版社.2010,1 [4]STC89C5单片机的介绍[J].宏晶公司STC单片机介绍.2006,1:3-5 [5]林华兵.MCS-51.单片机原理及应用[M].北京:华中科技大学出版社.2003,6 [6]周亦武,孙成鹏.放大电路指南[J].福建:福建科学技术出版社.2006,4:16-17 [7]林欣.功率电子技术[M].北京:清华大学出版社.2009 [8]赵广林.常用电子元器件识别/检测[J].电子制作.2007,6:9-14 [9]马巍.单片机制作音乐盒[J].职业.2011,29:21-22 [10]黄鹏勇.音频功率放大器设计[J].宁波职业技术学院学报 .2010,02:2-3 [11]王朱劳.模拟电子技术基础[M]. 西安:电子科技大学出版社.2007,1 [12]丁鹏.功率放大集成电路原理及应用[J].家电检修技术.2007,14:11-14 [13] Cygnal Integrated Products. 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Univ., South Korea.2002 致 谢 经过一个多月的时间，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本 科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地 方，如果没有老师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持， 想要完成这个设计是难以想象的。 在这里首先要感谢我的指导老师xxx老师。他平日里工作繁多， 但在我做毕业设计的每个阶段都给予了我悉心的指导。除了敬佩 樊老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永 远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。 还要感谢大学三年来所有的老师，为我们打下电子专业知识的基 础;同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓 励。此次毕业设计才会顺利完成。 最后感谢江苏速技术师范学院四年来对我的大力栽培。 附录: 1源程序 #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit E=P1 ; sbit RS=P1 ; sbit RW=P1 ; sbit key1=P1 ; sbit key2=P1 ; sbit key3=P1 ; sbit key4=P1 ; sbit key5=P1 ; void lcd_init(); void write_comm(uchar); void write_data(uchar); void write_string(uchar,uchar,uchar *); void lcd_delay(); void delay_ms(uint); void delay_ms(uint i) //延时i毫秒 { } void lcd_init() { 口 write_comm(0x08); write_comm(0x01); write_comm(0x06); write_comm(0x0c); //关显示 //清屏 //输入模式控制:光标右 移，整屏不移动 //开显示，显示光标，光标闪烁 lcd_delay(); write_comm(0x38); //显示模式控制:设置16*2显 示，5*7点阵，8位数据uint j; while(i--) { } for(j=0;j=74;j++) { } _nop_(); //0x0e，开显示，显示下光标，光标不闪烁 write_comm(0x80); //数据指针清零 write_comm(0x02); } void write_comm(uchar i) { RS=0; RW=0; P0=i; lcd_delay(); E=0; lcd_delay(); E=1; } void write_data(uchar i) { RS=1; RW=0; P0=i; lcd_delay(); E=0; lcd_delay(); E=1; } void write_string(uchar row,uchar column,uchar *dis_buffer) { switch(row) //这种结构保持以后升级到多行显示液晶 { case 1:write_comm(0x80+column);break; case 2:write_comm(0x80+0x40+column);break;//重新调整数据地址指针 default:break; } while(*dis_buffer!=0) // 0结束符 { write_data(*dis_buffer); dis_buffer++; column++; if(column==16) { column=0; row++; if(row=3) return; else switch(row) //种结构保持以后升级到多行显示液晶 { case 1:write_comm(0x80);break; case 2:write_comm(0x80+0x40);break; 整数据地址指针 default:break; } } } 这重新调 // } void lcd_delay() { uchar i; for(i=0;i255;i++); } void main() { lcd_init(); //cntl1=1;cntl3=1; cntl2=0;cntl4=0;cntl5=1;cntl6=0; write_string(1,0,”Gain:”); while(1) { if(key1==0) { delay_ms(15); if(key1==0) { while(!key1); P2=0x02; write_string(2,0,”0dB”); } if(key2==0) { delay_ms(15); } { while(!key2); P2=0x08; write_string(2,0,”10dB”); } } if(key3==0) { delay_ms(15); if(key3==0) { while(!key3); P2=0x1A; write_string(2,0,”20dB”); } } if(key4==0) { delay_ms(15); if(key4==0) { while(!key4); P2=0x51; write_string(2,0,”30dB”); } } { delay_ms(15); if(key5==0) { while(!key5); P2=0xff; write_string(2,0,”40dB”); } 2.硬件电路原理图