功率放大器课程设计报告

音频功率放大电路设计报告一、 设计题目题目：音频功率放大电路二、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50HZ20kHZ，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、 原理电路设计从电路结构来看，集成功放是由集成运放发展而来的，和集成运算放大器相似，包括前置级、驱动级和功率输出级，以及偏置电路、稳压、过流过压保护等附属电路。 除此以外，基于功率放大器输出功率大的特点，在内部电路的设计上还要满足一些特殊的要求。1、 方案比较与确定： 方案一、用分立元件实现 分立元件是电子电路的基础元件，长久以来都是在它的基础之上分析和设计电路的。 但由于近年来科技的发展，集成器件的出现，使分立元件的使用越来越少。不过在一些小型的电路中，分立元件还是有比较大的优势。分立元件的散热快，元件便宜，在设计时也相对自由。 方案二、用集成器件实现 集成功率放大器是在集成运放基础上发展起来的，其内部电路与集成运放相似。但是，由于其安全、高效、大功率和低失真的要求，使得它与集成运放又有很大的不同。电路内部多施加深度负反馈。 集成功率放大器由于不仅具有体积小、重量轻、成本低、外围元件少、安装调试简单、使用方便的优点；而且在性能上也优于分立元件，例如温度稳定性好，功耗小、失真小，特别是集成功率放大器内部还设置有过热、过电流、过电压等自动保护功能的电路对电路自行进行保护。 考虑到设计的任务和要求及设计者自身知识的条件的限制，决定用集成电路的形式来设计电路。通过图书馆和网络等资源，我们找到了以下几种集成芯片（1）利用运放芯片LM317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-30V,并且电源功率至少要50W,输出功率30W;（2）YT8227是一块双通道音频功放电路，内含热保护电路和电源开关，外围电路简单;（3）TDA2030是许多电脑有源音箱所采用的Hi-Fi功放集成块。特点有：外接元件少，接法简单，价格实惠，输出功率大，采用超小型封装，可提高组装密度，开机冲击极小，允许单电源接法和双电源接法，内含各种保护电路，因此工作安全可控。通过比较，我们选择了以TDA2030为中心的设计方案。原因有：(1)外接元件少:有利于初学者对电路的设计、调试和焊接。（2）采用超小型封装（TO-220）,可提高组装密度，开机冲击极小。（3）允许单电源或双电源接法，输出功率大，TDA2030A能在最低6V最高22V的电压下工作在19V、8阻抗时能够输出16W的有效功率，输出电流大，谐波失真和交越失真小THD0.1%。可以满足电路输出功率大于8W的设计要求。（4）内含各种保护电路，因此工作安全可控。主要保护电路有：短路保护、热保护、地线偶然开路、电源极性反接（Vsmax=12V）以及负载泄放电压反冲等。1.TDA2030A具有负载泄放电压反冲保护电路，如果电源电压峰值电压40V的话，那么在5脚与电源之间必须插入LC滤波器，二极管限压（5脚因为任何原因产生了高压，一般是喇叭的线圈电感作用，使电压等于电源的电压）以保证5脚上的脉冲串维持在规定的幅度内。2.热保护：限热保护有以下优点，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保护作用。 3.与普通电路相比较，散热片可以有更小的安全系数。万一结温超过时，也不会对器件有所损害，如果发生这种情况，Po=（当然还有Ptot）和Io就被减少。2、 整体电路框图的确定： 1、TDA2030的引脚排列、功用和内部框图 1脚是正相输入端2脚是反向输入端 3脚是负电源输入端4脚是功率输出端5脚是正电源输入端 TDA2030的 内部结构及其引脚图TDA2030极限参数参数名称极限值单位电源电压(Vs)18V输入电压(Vin)VsV差分输入电压(Vdi)15V峰值输出电流(Io)3.5A耗散功率(Ptot)(Vdi)20W工作结温(Tj)-40-+150存储结温(Tstg)-40-+1503、电路设计1）实验电路原理框图TDA2030元器件和电源元器件和接地信号输入三极管信号输出单元电路设计：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。2）实验电路图元器件的选择及其作用：如下面的系统原理图所示，C10为输入耦合电容，应选取较小的电解电容；R1、R、R3和C4的作用是组成运放TDA2030的输入偏置电路,电容C4的作用是可以稳定TDA2030正相输入端的电压。另外，R2是为了防止输入信号被C7短接到地而设的。C2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。C5、R5、和R4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C5短路，所以功放的增益为11+R4（有效部分）/R51+100/3.3=31.3。对于直流信号，可认为C5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=R7和C6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R9和C8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C9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。C7和R8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、8阻抗时能够输出16W的有效功率，THD0.1%，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。元件清单如下标号型号大小数量R1、R3RJ14100k2R2RJ1410k1R4B100k100k1R5RJ143.3k1R6、R7RJ141.52R8RJ14221R9RJ1411R10RJ1481C2、C7104100nf2C325V-100uf100uf1C4、C550V-10uf10uf2C6、C8224220nf2C925V-2200uf2.2mf1C1050V-2.2uf2.2uf1D1、D21N4001/2TIP31C/1TIP32C/1TDA2030/1总计/24四、电路用Multisim仿真的结果由下图得知：输出电压峰峰值为：Uo=Ui*【1+R11(有效部分)/R4】=3.1 放大倍数：Ao=1+R11（有效部分）/R4=1+100/3.3=311) 放大倍数：在输入信号频率为1000Hz,峰峰值为100mV的正弦波时，其输出信号为频率是1000Hz、峰峰值为3.1V的正弦波信号。即该电路对输入信号的放大倍数为31倍。2) 通频带：由波特图可知，满足频带宽50HZ20kHZ，即最大衰减小于3dB，输出波形基本不失真。五、焊接完成后电路的调试过程和结果仿真数据与实测数据的比较：Ui（峰峰值）Uo（峰峰值）（仿真）Uo（峰峰值）（实测100mV3.1V3.0V由上表可知，实际上输出电压放大倍数：Au31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、TIP31C、TIP32C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。六焊接及注意事项： 焊接工具准备：电烙铁、万用表、尖嘴钳、螺丝刀、焊锡丝等。焊接时先焊接跳线，再焊接电阻，再焊电容，再焊整流管，再焊电位器，最后焊TDA2030，焊接TDA2030前须先把TDA2030用螺丝固定在散热片上，否则在最后装散热片时螺丝很难打进去。TDA2030与散热片接触的部分必须涂少量的散热脂，以利散热。焊接时必须注意焊接质量，对于初学者，可先在废旧的电路板上多练习几次，然后再正式焊接。调试：1、本功放板调试特别简单，电路板焊好电子元件后，要仔细检查电路板有无焊错的地方，特别要注意有极性的电子元件，如电解电容，桥式整流堆，一旦焊反即有烧毁元器件之险，应该特别注意。2、接上变压器，先检测2030是否有电源供给，就是测2030的第5个引脚是否为正电压，第三脚是否为负电压，要注意电路是否有短路的情况。3、为防止烧掉扬声器，放大器的输出端（OUT）先不接扬声器，而是接万用表，测输出端的直流电位。万用表置于DC*2V档，功放板上电注意观察万用表的读数，在正常情况下，读数应在30mV以内，否则应立即断电检查电路板。若电表的读数在正常的范围内，则表明该功放板功能基本正常，最后接上音箱，输入音乐信号，上电试机，旋转音量电位器，音量大小应该有变化，旋转高低音旋钮，音箱的音调有变化。七、总结和体会：方案和作品的优点为：作品所用元器件较少，电源输入要求较低，频带宽6.41HZ127.481kHZ，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。体会：通过这次音频功率放大器