模电音频功率放大器课程设计

课程设计报告

学生姓名:张浩学学号：201130903013

7

学

院:电气工程学院

班

级: 电自1116(实验111）

题

目: 模电音频功率放大电路设计

指导教师：张光烈职称:

2013 年 7月 4 日

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 。

模电这门课程主要讲了二极管，三极管，几种放大电路，信号运算与处理电路，正弦信号产生电路，直流稳压电源。功率放大器的作用是给音响放大器的负载RL（扬声器）提供一定的输出频率。当负载一定时，希望输出的功率尽可能大，输出的信号的非线性失真尽可能小，效率尽可能高。功率放大器的常见电路形式有OTL电路和OCL电路。有用继承运算放大器和晶体管组成的功率放大器，也有专集成电路功率放大器。本实验设计的是一个OTL功率放大器，该放大器采用复合管无输出耦合电容，并采用单电源供电。主要涉及了放大器的偏置电路克服交越失真，复合管的基本组合提高电路功率，交直流反馈电路，对称电路，并用multism软件对OTL功率放大器进行仿真实现。根据电路图和给定的原件参数，使用multism 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。

3、整体电路设计：

⑴方案比较：

①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 。

②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①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②的要求不高，并能满足设计要求，所以选取方案②来进行设计。 ⑵整体电路框图：

⑶单元电路设计及元器件选择： ①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

TDA2030

元器件和电源

元器件和接地

信号输

三

极管

信号

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、R２、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1<<1+R11（有效部分）/R4<<1+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。

实验原理

用高通滤波器和低通滤波器将信号分成高频，低频两个部分，进入不同的电路中。选用有源二阶滤波器电路调节高低音。在此基础上通过调节滑动变阻器阻值，改变电路增益，来达到达到高低音调节的目的。

为了降低电源电压要求，选用OTL 电路。为了消除交越失真，在两个互补对称管基极之间连接一个二极管和变阻器，以提供偏置电压。由于OTL 电路是电流放大电路，因此需在前面加上一个前置放大，用于电压放大，以带动OTL 电路。稳定两个互补对称管射极电压在左右，使电路能够正常工作。

电路结构及设计电路图

电路结构图如下：

设计电路如下：

系统的电路总图： 元件清单如下：

标号 型号 大小 封装形式 数量 R7

RJ14 1Ω AXIAL0.4 1 R6、R8 RJ14 1.5Ω AXIAL0.4 2 R10 RJ14 22Ω AXIAL0.4 1 R4 RJ14 3.3k Ω AXIAL0.4 1 R1、R2、R3

RJ14 100k Ω AXIAL0.4

3 R11 B100K 100 k Ω — 1 C1 25V-2200uf 2.2mf — 1 C3 25V-100uf 100uf — 1 C4、C7 50V-10uf 10uf — 2 C2 50V-2.2uf 2.2uf — 1 C5、C8 22

4 220nf — 2 C6、C9

104

100nf

—

2

输入信

号

输入级

隔离级

音调调节

功率放大

1n4001 ——DO-35 2

TIP31C ——TO-220 1

TIP32C ——TO-220 1

TDA2030 ——PENTAWATT 1

总计———23

电路调试过程与结果:

①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f L=6.41Hz，上限截止频率为f H=127.481kHz。当然在50H Z～20kH Z频率范围内电路输出不失真，这满足条件“频带宽50H Z～

20kH

Z ，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50H

Z

～20kH

Z

频率范围

内电路输出不失真。

②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66kΩ，负载电阻8Ω。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

仿真数据和实测数据比较：

Ui（峰峰值）Uo（峰峰值）（仿真）Uo（峰峰值）（实测）

100mv 2.1 v 2.0v

400mv 8.4v 8.3v

由上表可知，实际上输出电压放大倍数：Au≠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。

③测量最大不失真功率：

根据理论可得最大不失真功率为2

(/2)

/Pm Uo RL =,Uo 为输出电压峰峰值。经过测试，在19V 的

直流电源，8Ω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=8.4w>8w 。也满足“电路输出功率大于8W ”条件。 ④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 Ω>>47K Ω，明显也满足“输入灵敏度为100mV ，输入阻抗不低于47K Ω”的条件。

3参数分析与计算

3.1音调调节电路

集成运放选用LM324 20Hz 到20kHz 中间频率 低通滤波器截止频率

根据公式选取R=10k ，C=0.001。 同理计算高通滤波器取R=68k ，C=0.001。

R1和是音调幅度调节，取R1=10k,Rf 为50k 的滑动变阻器。

3.2功率放大电路

3.2.1工作电压

根据最大不失真平均功率公式设计功率3W ，负载电阻8，可算得Vom(max)=7V 因为otl 电路充其量只能达到，为了保证波形不失真，电源适当取大，我们取电源18V 。

3.2.2其他元件参数

i.静态工作点的设置及三极管选择。

根据其参数范围，T1管选2SC2655,T2管选2SA1020。T3管为前置放大，选取低噪的9014. 为了达到设计要求，T3管的静态工作点。所以设计静态工作点=8V ，Ic=15mA 。为了使电路正常工作，K 点电位应达到。 Ii 电阻选择

为了方便调节，R1取3.3k，R2取100k电位器。Rc3取360,R3取1k可调电阻。

Iii电容及其他

C1,Ce为耦合电容和旁路电容，为了提高低频响均取1000；C3为提拉电阻，取100。C2充当负电源应满足

所以C2选取4.7mF

D1取IN4001，R4和D1作用调节以消除交越失真，R4取2k电位器。

4仿真与调试

4.1音频调节电路

频率特性曲线

4.2音频放大电路

输入三角波

输入正弦波

输入方波

5设计体会及收获

这个学期我们开设了《模拟电路》这么课程，这门课程属于电子电路范畴，与我们的专业有莫大的联系，给予我们以理论上的指导。“纸上学来终觉浅，绝知此事要躬行”，在模电点课程一结束之后，紧接着就有了一场让我们学以致用，讲课上所学应用在实践中的课程设计。这次的课程设计是很及时的，因为我们学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够的，因此本

次课程设计给予了我们一次机会来巩固理论，来更深刻地认识模拟电路。

初次接受音频放大器这个课程设计的时候，首先面临的难题就是从理论上来构建音频放大器的雏形。首先想到的就是从书本上开始寻找各个部分的相应的电路图，终于在几天的研究之后将各个部分都一一找全。紧接着就是参数的计算问题，在于同组的其他成员一同奋战之后，参数最终确定下来。之后就是在计算机上进行仿真，可是几次的仿真之后都会出现较大的误差，重新计算了参数之后，方针终于可以成功地达到要求。经过这次课程设计，让我真的学到了很多，不仅体会到了团队合作的魅力，也对于自己的动手能力进一步提高了，更加深了对于理论知识的理解，同时也懂得

了只要付出汗水，总会得到回报。

同时，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：

①功率不是很高，最大输出功率只有8.4W；

②TIP31C和TIP32C的功耗都比较大，集电极电流输出不是很大；

③2.2mf的电解电容存在电感，电路的低频特性不是很好；

④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。