音响放大器设计与制作.doc

初始条件：功率芯片 TDA2030A运算放大器 LM324N二极管 1N4001二极管等要求完成的主要任务: 一、设计任务利用分离元件或集成电路制作一个音响放大器，可以放大话筒信号或毫伏级音频信号。二、要求(1) 技术指标如下：(2) a输出功率：0.5W；b负载阻抗：4欧姆；c频率响应：fLfH=50Hz20KHz；d 输入阻抗：20K欧姆；e整机电压增益： 50dB；(3) 电路要求有独立的前置放大级（放大话筒信号）;(4) 电路要求有独立的功率放大级。时间安排： 指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日 目录摘要IAbstractII1 电路工作模块的选择11.1放大电路的选择11.1.1采用uA741运算放大器设计电路11.1.2采用LM324通用四运算放大器11.1.3方案选取21.2 功率放大的选择21.2.1 OTA互补对称功率放大器21.2.2 用芯片TDA2030实现31.2.3 方案选取32 核心元器件介绍42.1 LM324的介绍42.2 TDA2030的介绍52.3 驻极体话筒的介绍63 整体电路设计83.1 语音放大器的基本构成83.2 实验总体电路图93.3 话筒模块的工作原理93.4 前置放大的工作原理103.5功率放大的工作原理104 主要参数计算124.1 前置放大电路124.2 功率放大电路125软件仿真过程135.1前置放大的仿真与参数分析135.2 功率放大的仿真与参数分析136 心得体会157 元件清单168 参考文献17 摘要 音响在日常生活中使用很广泛。本文主要介绍了音响的构成、功能、及工作原理，它由TDA2030芯片所组成的功放电路，LM324四运放大器为前置放大和音调放大构成，本身具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点。而TDA2030一款输出功率大，最大功率到达35W左右， 静态电流小，负载能力强，动态电流大既可带动4-16的扬声器，电路简洁，制作方便、性能可靠的高保真功放，并具有内部保护电路。本设计的功能是将输入音频信号进行放大，是一种可普遍用于家庭音响系统、立体声唱机等电子系统中，便于携带，适用性强。 关键词：音响；功率芯片TDA2030；运算放大器LM324N；I Abstract The sound is widely used in our lives. This article describes the sound of the composition, function, and principle, it is formed by the TDA2030 chip power amplifier circuit, LM 324 quad op amp as the preamp and tone to enlarge constitute itself with supply voltage range, the static power consumption can be a single power use and low cost advantages. The TDA2030 a high output power, maximum power reaches 35W or so, the static current, load capacity, dynamic current can drive large 4-16 speaker, circuit simplicity, making convenient and reliable high-fidelity power amplifier, and an internal protection circuit. This design feature is the input audio signal amplification, it is generally available for home audio systems, stereo player and other electronic system, portable applicability. Keywords: audio; power chip TDA2030; operational amplifier LM324N;II11 电路工作模块的选择 1.1放大电路的选择1.1.1采用uA741运算放大器设计电路 图1-1 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, 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。1.1.2采用LM324通用四运算放大器 图1-2 采用LM324通用四运算放大器，双列直插8脚封装，的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立。它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。两个信号输入端中,Vi-（-）为反相输入端,表示运放，输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+（+）为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。1.1.3方案选取 uA741是通用放大器,性能不是很好,满足一般需求，而LM324四运放大器具有电源电压范围宽,静态功耗小,可单电源使用,价格低廉等优点，本设计放大倍数不高，LM324能达到f=10KHz的频响要求，故选用LM324四运放大器。1.2 功率放大的选择1.2.1 OTA互补对称功率放大器 图1-3 OTL 电路通常由两个对称的异型管构成，因此又称为互补对称电路，图 3-1 为单电源 OTL 互补对称功率 放大电路。电路中 T1 是推动级（电压放大，也叫激励级），其中Rb1、Rb2是 T1 的基极偏置电阻，Re为 T1发射极电阻，Rb为 T1集电极负载电阻，它们共同构成 T1 的稳定静态工作点；T2、T3 组成互补对称功率放大电路的输出级，且 T2、T3工作在乙类状态；C2 为输出耦合电容。功率放大器采用射极输出器，提高了输入电阻 和带负载的能力。性能分析：乙类互补推挽功放(OTL)的输出功率的计算公式如下：输出功率：Po=UoIo=Uo2/RL输出最大功率：Pom=UoIo=Uo2/RL =Uom2/2RL=VCC2/8RL显然Pom与电源电压及负载有关1.2.2 用芯片TDA2030实现 图1-4 TDA2030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。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。电路特点：外接元件非常少；输出功率大，Po=18W(RL=4)；采用超小型封装（TO-220）,可提高组装密度；开机冲击极小；内含各种保护电路，因此工作安全可靠。主要保护电路有：短路保护、热保护、地线偶然开路、电源极性反接（Vsmax=12V）以及负载泄放电压反冲等。1.2.3 方案选取 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，THD0.1%。用它来做电脑有源音箱的功率放大部分或小型功放再合适不过。2 核心元器件介绍2.1 LM324的介绍LM324系列器件带有差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。LM324系列由四个独立的，高增益，内部频率补偿运算放大器，其中专为从单电源供电的电压范围经营。从分裂电源的操作也有可能和低电源电流消耗是独立的电源电压的幅度。应用领域包括传感器放大器，直流增益模块和所有传统的运算放大器可以更容易地在单电源系统中实现的电路。例如，可直接操作的LM324系列，这是用来在数字系统中，轻松地将提供所需的接口电路，而无需额外的15V电源标准的5V电源电压。 LM324的引脚排列见图(俯视图) 图2-12.2 TDA2030的介绍功率放大的主要作用是向负载提供所需的功率，在信号不失真的前提下，要求输出功率尽可能大，转换效率尽可能高。我们在设计时采用了TDA2030作为功率放大芯片。TDA2030是目前音质较好、价格较低、外围元件较少、应用较方便的一款性价比较高的集成功放。它的电气性能稳定、可靠、能适用长时间连续工作，集成块内部具有过载保护和热切断保护电路，不会损坏器件。在单电源使用时，散热片可直接固定在金属板上与地线相通，无需绝缘，使用十分方便。（1） TDA2030主要参数：参数名称符号单位参数最小典型最大测试条件电源电压VccV+、- 6+- 18静态电流IccmA4060Vcc=+-18,RL=4欧输出功率PoW1214RL=4,THD=0.5%W89RL=8,THD=0.5%频响BWHz10140kPo=12w,RL=4,输入阻抗RiM0.55开环，f=1kHz谐波失真THD%0.20.5Po=0.1-12W,RL=4 表2-1 图2-2（2） 电路特点：a) 外接元件非常少。b) 输出功率大，Po=18W(RL=4)。c) 采用超小型封装（TO-220）,可提高组装密度。 d) 开机冲击极小。e) 内含各种保护电路，因此工作安全可靠。主要保护电路有：短路保护、热保护、地线偶然开路、电源极性反接（Vsmax=12V）以及负载泄放电压反冲等。f) 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，THD0.1%。无疑，用它来做电脑有源音箱的功率放大部分或小型功放再合适不过了。（3） 引脚情况：1脚是正相输入端2脚是反向输入端3脚是负电源输入端4脚是功率输出端5脚是正电源输入端。2.3 驻极体话筒的介绍 驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中。属于最常用的电容话筒。由于输入和输出阻抗很高，所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器，为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。 图2-3主要参数：（1）工作电压（UDS）。这是指驻极体话筒正常工作时，所必须施加在话筒两端的最小直流工作电压。该参数视型号不同而有所不同，即使是同一种型号也有较大的离散性，通常厂家给出的典型值有1.5V、3V和4.5V这3种。（2）工作电流（IDS）。这是指驻极体话筒静态时所通过的直流电流，它实际上就是内部场效应管的静态电流。和工作电压类似，工作电流的离散性也较大，通常在0.11mA。（3）最大工作电压（UMDS）。这是指驻极体话筒内部场效应管漏、源极两端所能够承受的最大直流电压。超过该极限电压时，场效应管就会被击穿损坏。（4）频率响应。也称频率特性，是指话筒的灵敏度随声音频率变化而变化的特性，常用曲线来表示。一般说来，当声音频率超出厂家给出的上、下限频率时，话筒的灵敏度会明显下降。驻极体话筒的频率响应一般较为平坦，其普通产品频率响应较好（即灵敏度比较均衡）的范围在100Hz10kHz，质量较好的话筒为 40Hz15kHz，优质话筒可达20Hz20kHz。（5）输出阻抗。这是指话筒在一定的频率（1kHz）下输出端所具有的交流阻抗。驻极体话筒经过内部场效应管的阻抗变换，其输出阻抗一般小于3k。（6）固有噪声。这是指在没有外界声音时话筒所输出的噪声信号电压。话筒的固有噪声越大，工作时输出信号中混有的噪声就越大。一般驻极体话筒的固有噪声都很小，为微伏级电压。3 整体电路设计3.1 语音放大器的基本构成话筒信号输入 前置放大 功率放大 麦克前置放大电路功率放大电路喇叭 图3-1 根据要求，输出功率 P=0.5W，电阻R=4，由功率公式可得U=1.4V，对TDA2030输入75mv电压时，可达到设计要求。 另外，由于语音通过话筒输入信号为5mv，放大后要求达到75mv，放大倍数需在15倍以上，由电路设计要求得知，该放大器由一级组成，其总的电压增益AUf=AUf1。应根据放大器所需的总增益AU，来合理分配电压增益AUf1。为了提高信噪比S/N，前置放大器的增益要适当取大。为了使输出波形不致产生饱和失真，输出信号的幅值应小于电源电压。3.2 实验总体电路图 图3-23.3 话筒模块的工作原理 图3-3 语音信号输入模块采用了驻极体话筒构成的语音输入电路，将语音信号变成5mv的交流电压输出，用电容的隔直流功能，滤掉直流成分，就可以得到交流的音频信号。由于驻极体话筒需要加入一个直流偏置电压，声波的音频信号会叠加到这个偏置电压上，信号是从正极输出。故在话筒上加上一个5v直流电压源提供偏执电压。3.4 前置放大的工作原理 图3-4R2，R7：提供偏置电压，为放大器建立静态工作点；C12，C11：隔直通交，滤掉直流成分；整个电路形成一个同向比例放大电路，放大倍数R3/R4；电流从运放同向输入端3输入，从1端输出放大信号，经过电容C11滤波后进入下一级。3.5功率放大的工作原理 图3-5 电路原理如图所示，该电路由单声道组成，其中R12为音量调节电位器。输入的音频信号经音量调节后由C4送到TDA2030集成音频功率放大器进行功率放大。该电路工作于单电源互补对称（OTL）状态，音频信号由TDA2030的1脚（同向输入端）输入，经功率放大后的信号从4脚输出，其中R8、C2、R11组成负反馈电路，它可以让电路工作稳定，R8和R11的比值决定了TDA2030的交流放大倍数，R5和C7组成高频移相消振电路，以抑制可能出现的高频自激振荡。功放电路中二极管1N4001反接为集成运放电源极性保护，它利用二极管的单向导电性，使反向接入的电源电压不能加到集成运放上。当电源电压反接时，二极管D1和D2导通，因而将产生很大的电流，同时两个二极管的管压降很低(最大值约0.7V)，所以电源瞬间反接不会造成器件损坏。由于在电源反接时，流过二极管的电流较大，所以一般选用电流容量较大的功率二极管(如1N4001)。114 主要参数计算4.1 前置放大电路前置放大电路采用集成运放LM324构成单级放大电路。为增强对输入信号的保持性，故单级放大电路采用同相放大电路组态。放大电路的增益可以通过改变反相端的输入电阻与反馈电阻的比值来调节，即。放大器输入漂移和噪声等因素对于总的精度至关重要，放大器本身的共模抑制特性也同等重要。因此前置放大电路应该是一个高输入阻抗、高共模抑制比、低漂移的小信号放大电路。输入信号：，输入阻抗：。实验中，实际设计放大倍数16倍，可通过改变R3调节。通过计算得元件参数如下：R4=10k，R5=150k 电压增益为：Au1=164.2 功率放大电路功率放大电路采用集成功率放大器TDA2030构成放大电路。功率放大电路主要起放大电流的作用。放大电路的增益可以通过改变反相端的输入电阻R11与反馈电阻R8的比值来调节。因为整机电压增益50dB，即电压放大倍数约为316倍。本级功率放大倍数为R8/R11=32,故总电压增益为54dB。5软件仿真过程5.1前置放大的仿真与参数分析 图5-1如图所示，前置放大在输入电压5mV、50Hz20KHz条件下：a输出电压为 76.462mV79.798mVb电压放大倍数为 15.29215.960倍c电路增益Auf=1+R3/R4=165.2 功率放大的仿真与参数分析 图5-2功率放大器在输入电压79mV，1kHZ条件下：a输出电压为2.018Vb输出功率为 0.509Wc功率放大倍数为 25.24倍d电压总增益为 20Log（2.018V/5mV）=52.12dB6 心得体会 本次的课程设计我选择的设计题目是语音放大器的设计与制作，总体来说本次的试验还是比较顺利的。首先要做的就是根据题目要求经行电路的设计，根据试验的具体要求我在网上查找了相关的资料并结合之前学过的模拟电子电路的相关知识设计出了基本的电路框架，后面在经过仔细的计算与分析得出了最终的设计电路图，并通过仿真验证确实可行。 接下来就是电路的制作过程，由于在设计电路的时候就考虑到了电路的连接问题，所以所设计的电路就一根跳线，通过走锡布线整体布局简洁美观。电路的连接过程可以说是整个实验中最轻松的一部分，吸取了以前焊板子的经验，本次连接电路我更加的小心与细致，较好的做到了正确连接每一根锡线。 在电路连接完成后我进行了初步的测试，在本次测试中虽然喇叭响了但是噪音很大，根本不能达到预设要求。后面经过仔细的观察电路图和电路板终于发现了根源，竟然是前置放大级的负反馈没有接。改正了这个错误后，电路板可以进行正常的测量工作了。在第二次测量时又遇到了新的问题，说话的时候