高保真功率放大器

课程论文

题目：高保真音频功率放大器的设计与制作

学生姓名：

学生学号：

系别：

专业：

年级：

任课教师：

高保真音频功率放大器的设计与制作

摘要：以TDA2030A型电路为核心器件构成高保真音频功率放大器的功率放大部分，推动扬声器系统放音，构成一种输出功率满足10W/8Ω，频率响应20~20KHZ，失真小的有源音响。

关键词：带通滤波，功率放大，uA741，TDA2030A。

引言：使用模拟元器件构建成一种实用的模拟电子系统，难点不是功能电路的设计和分析，是功能电路之间的匹配和协调。高保真音频功率放大器是使用TDA2030A做后级放大，uA741做前级放大，构成一个完整的功率放大器。

1、设计目的

1.1学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握CAD电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。

1.2学会高保真功率放大器的设计方法。

1.3培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。

2、设计任务及要求

2.1制作一个高保真音频功率放大器，输出功率10W/8Ω，频率响应

20~20KHZ，效率>60﹪，失真小；

2.2利用集成运算放大器uA741做前级放大，利用TDA2030A做后级放大，利用实验箱现成电源或自己在实验箱上设计电源，构成一个完整的功率放大器。最后利用随身听作信号源，利用实验箱自带扬声器，进行功能验证。

2.3设计电路结构，选择电路元件，计算确定元件参数。

2.4用CAD画出电路原理图，并生成印刷电路板。

3、方案设计及论证

设计原理总框图如下所示：

3.1前置放大器起匹配作用，其输入阻抗高（不小于10kΩ），可以将前面

的信号大部分吸收过去，输出阻抗低（几十Ω以下），可以将信号大部风传送出去。同时，它本身又是一种电流放大器，将输入的电压信号转化成电流信号，并给予适当的放大。前置放大电路还包括一个有源带通滤波器，把相同元件压控电压源滤波器的LPF 和HPF串连起来实现抑制低于20HZ和高于20KHZ的信号。

3.2功率放大器起关键作用，它将驱动放大器送来的电流信号形成大功率信号，带动扬声器发声，它的技术指标决定了整个功率放大器的技术指标。

方案一：甲类放大器作为一种最古老，效率最低，最耗电，最笨重，最耗资，失真最小的放大器它有吸引人的音质。甲类放大器输出电路本身具有抵消奇次谐波失真，且甲类放大器管子始终工作在线性曲线内，晶体管自始自终处于导通状态。因此，不存在开关失真和交越失真等问题。甲类放大器始终保持大电流的工作状态。但是甲类放大器通常需要偏置电压才能工作，放大输出的电压幅度不能超出偏置范围，所以能量转换效率很低，理论上最高不超过50%；

方案二：乙类放大器虽然不需要偏置，靠信息本身来导通放大管，理想效率高达78.5%，但这种放大电路存在交越失真；

方案三：甲乙类放大器即在B类电路的基础上略加一点偏置，这样一来，效率也随之下降。

我们设计的高保真音频功率放大器，前级选用作uA741做3倍左右的前置放大，后级功放选用高保真集成芯片TDA2030A。

4、单元电路设计与参数计算

4.1前置放大电路

前置放大电路主要是由集成运放uA741组成的，它具有输入阻抗高而输出阻抗较低的特点。uA741通用高增益运算放大器是早些年最常见的运放之一，运用非常广泛。它具有零飘调整管脚，典型电路如下图1所示，再调零端2、7之间接一个调整失调电压

电位器，当接成比例运算、求和运算电路时,调零电位器用于闭环调零。

图1 ua741典型电路

前置放大电路中包括有源滤波电路，有源滤波电路是用有源器件与RC网络

组成的滤波电路，种类很多，按其带通的性能划分，可分为低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器。根据本设计的要求应该选用一带宽与实际输入有用信号相一致的有源带通滤波器。

带通滤波器的带宽越窄，选择性越好，也就是电路的品质因数Q值越高

（Q=BWfo），高Q值的滤波器有大的输出电压；反之，低Q值的滤波器带宽较宽，有较小的输出电压。

我们所熟悉的RC桥式振荡电路其实就是一个选择性很好的有源带通滤波器。该电路在满足R1=R2=R，C1=C2=C的条件下，Q值与中心频率f,0分别为：

另外，也可以用一个低通滤波器和一个高通滤波器串联起来组成一带通滤波器，用

该方法构成的带通滤波器通带较宽，截止频率易于调整，多用作测量信号

噪声比的音频带通滤波器。如图2所示的带通滤波器，频率范围300Hz-3000Hz，

整个通带增益为8 dB，非常适合语音放大。

图2 带通滤波电路

4.2功率放大电路

功率放大电路主要是由集成运放TDA2030A组成，它具有输出功率大，静态电流小，动态电流大，负载能力强等特点，音色中规中矩，无明显个性，特别适合制作输出功率中等的高保真功放。TDA2030A可以采用单电源或双电源工作，本设计采用的是双电源。电路图如图3所示。

图3 TDA2030A内部电路

TDA2030A的主要参数：

工作电压：正负15-22V，

静态电流：<50mA,

输出功率：18W，当V=正负15-22V时，

谐波失真：0.05%，当f=15kHZ，RL=8Ω时，

闭环增益：26 dB，当=1kHZ时，

开环增益：80dB, 当=1kHZ时，

频响范围：40-14000HZ。

重要元器件介绍：

TDA2030A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。如图1所示，按引脚的形状引可分为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。

电路特点：

[1].外接元件非常少。

[2].输出功率大，Po=18W(RL=4Ω)。

[3].采用超小型封装（TO-220）,可提高组装密度。

[4].开机冲击极小。

[5].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。

[6].TDA2030A能在最低±6V最高±22V的电压下工作在±19V、8Ω阻抗时能够输出16W的有效功率，THD≤0.1%。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。

UA741介绍：

741放大器为运算放大器中最常被使用的一种，拥有反相向与非反相两输入端，由输入端输入欲被放大的电流或电压信号，经放大后由输出端输出。放大器作动时的最大

特点为需要一对同样大小的正负电源，其值由±12Vdc至±18Vdc不等，而一般使用±15Vdc的电压。741运算放大器使用时需于7、4脚位供应一对同等大小的正负电源电压＋Vdc与－Vdc，一旦于2、3脚位即两输入端间有电压差存在，压差即会被放大于输出端，唯Op放大器具有一特色，其输出电压值决不会大于正电源电压＋Vdc或小于负电源电压－Vdc，输入电压差经放大后若大于外接电源电压＋Vdc至－Vdc之范围，其值会等于＋Vdc或－Vdc，输出电压于到达＋Vdc和－Vdc后会呈现饱和现象。

5、总原理图及元器件清单

5.1、总原理图

5.2、元件清单

6、用CAD画电路原理图

6.1启动原理图设计服务器，装入所需的元件库，放置元件。

根据实际电路的需要，到元件库中找出所需的元件。通过Tab键或双击原件调出属性对话框，在Attributes页设置原件标号、参数、型号等，其中的关键

项为封装名称和原件序号；然后根据元件之间的连接关系进行位置调整，使电路

图的布局整齐美观，走线简洁合理，达到设计要求。

6.2原理图布线

由高保真音频功率放大器的总原理图，利用Protel 99 SE提供的各种工具、

指令进行布线，将工作平面上的器件用具有电气意义的导线、符号连接起来，完

成一个完整的电路原理图。

6.3检查原理图

使用Protel 99 SE的电气规则，即执行菜单命令Tool/ERC，对画好的电路原理图进行电气规则检查。若有错误，根据错误报告进行改正。

6.4生成网络表

网络表是电路原理图设计和印刷电路板设计之间的桥梁，执行菜单命令

Design/Create Netlist可以生成具有元件名、元件封装、参数及元件之间连接

关系的网络表Sheet1.erc。

7、印刷电路板设计

电路设计的最终目的是为了设计出电子产品，而电子产品的物理结构是通过

印刷电路板来实现的。Protel 99 SE为设计者提供了一个完整的电路板设计环境，

使印刷电路板的设计更加方便有效。下图4为已经完成的PCB电路板：为了使电路板更加美观、结实、减少外界干扰，使电路运行更加稳定可靠，

特意给PCB电路板进行了多边形覆铜。下图为多边形覆铜后的PCB板。

8、综合总结

通过这次电子技术课程设计，让我了解了设计电路的程序.通过本次实验设

计电路原理图，对protel99se有了初步的了解，能独立完成电路图的绘制，在设计电路图过程中充分了解各芯片和元器件的功能作用。通过这次电子技术课程设计,使我对模拟电子技术和数字电子技术在实践中的应用有了更深刻的理解。通过该课程设计，把死板的课本知识变得生动有趣，激发了学习的积极性。

通过这次学习，让我对各种电路都有了大概的了解，所以说，坐而言不如立

而行，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。

图4 PCB电路板

图5 覆铜后的PCB板

参考文献

[1] 路勇电子电路实验及仿真 [M] 清华大学出版社 2004； 192-203

[2] 康光华电子技术基础模拟部分[M] 高等教育出版社 1998 ；280-403

[3] 李春彪；电子元器件运用[J]； 2004年11期

[4] 赵永红；电子制作[J] ；2000年11期

[5] 福满; 家庭电子, Family Electronics[J] ；2005年 17期 [6] 韩晓东李勇江：Protel99SE 电路设计实用教程（第二版）