功率放大器的设计与实现

1绪论 (1)

1.1课题背景 (1)

1.2课题目标 (1)

1.3TDA2030的介绍 (1)

1.4双联电位器简介 (3)

1.5M ULTISIM软件简介 (3)

2功率放大器设计 (4)

2.1功放电路研究的主要问题 (4)

2.2功率放大器的组成 (4)

2.3稳压电源的设计 (5)

2.4前置放大电路的设计 (6)

2.5功率放大电路的设计 (8)

2.6功率放大电路的整体分析 (11)

3功率放大器的安装与调试 (11)

3.1安装步骤 (11)

3.2电路板的检查与调试 (12)

4总结 (13)

1绪论

1.1课题背景

功放全称为功率放大电路，在我们的日常生活中会遇到许许多多的功放（扩音机），比如我们常用的电脑、手机、收音机、MP3、音响、扩音器等上面都会有功放，可以说在我们生活中遇到的凡是能发出声音的仪器设备上面都会有功放，可见功放和我们的生活联系的是多么的紧密。

在我们学习《模拟电子技术》时知道，功放的种类有很多，按功放中功放管的导电方式不同，可以分为甲类功放、乙类功放、甲乙类功放和丁类功放；按电路所用的器材分类，功放可以分为电子管放大器、晶体放大器和集成电路放大器；按照功能分类，功放可以分为前级功放、后级功放和合并式功放；按用途不同，可以分为AV功放，Hi-Fi功放；其中甲乙类是我们比较熟悉的功放。基于功放的实用性与可操作性，这次我们小组选取《功放电路设计》作为设计题目，采用集成功放芯片TDA2030为核心,设计一个带音量控制、高音控制、低音控制、左右声道均衡控制的功率放大器。由此能更加的熟悉功放以及在设计与制作过程中体会设计电子器件的乐趣。

1.2课题目标

（1）．学习综合性电路设计和电子系统设计、电路装配、指标调测、故障处理、设计报告的撰写等方法。

（2）．学习电路焊接的基本技巧，熟练使用电烙铁、剪钳、万用表等电子工具，以及焊接完成后的电路调试、故障处理的能力。

（3）．以小组的方式完成，锻炼我们的团队协作能力，为以后做别的课题打下基础。

（4）．学习先进的电子电路设计理念，综合应用电子电路的基本知识，采用EDA技术独立设计电子电路的方法，

（5）．了解Multisim的使用方法，学会使用Multisim进行模拟电路的设计、调试，为以后自己能独立设计电路打下基础。

（6）．培养理论联系实际的正确设计思路，训练综合应用所学电子电路的理论知识去分析和解决工程实际问题的能力，培养创新能力。

1.3TDA2030的介绍

TDA2030A是电话机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。如下图所示，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。

引脚接入情况

1脚是正向输入端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特点

U1

TDA2030

常用符号

外形图

内部结构图

（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。

1.4双联电位器简介

电位器是具有三个引出端、阻值可按某种变化规律调节的电阻元件。电位器通常由电阻体和可移动的电刷组成。当电刷沿电阻体移动时，在输出端即获得与位移量成一定关系的电阻值或电压。电位器既可作三端元件使用也可作二端元件使用。后者可视作一可变电阻器。

而双联电位器简单来说就是有两个三脚电位器构成。

1.5Multisim 软件简介

Multisim 是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows 为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

Multisim 的具体功能为：构建仿真电路、仿真电路环境、multi mcu（单片机仿真）、FPGA、PLD，CPLD 等仿真、通信系统分析与设计、PCB 设计、自动布

1、4脚接焊在一起接地2脚接左声道输出3脚接左声道输入5脚接右声道输出6脚接右声道输入

4

1

2

5

6

3

外部结构图

线、器件建模及仿真、电路的构建及仿真、系统的组成及仿真、仪表仪器原理及制造仿真。

由此可见Multisim 的功能很是强大，特别是在电子信息方面的应用非常的广泛，使用该软件设计电路由于能实现仿真，所以既省时间又省物力，可以实现快速、高效的设计电路。

2功率放大器设计

2.1功放电路研究的主要问题

（1）要求输出功率尽可能大：要求输出电流和电压都大，管子运行在极限状态。（2）电路效率要高：效率是指负载得到的有用信号功率与电源供给的直流功率之比，比值越大效率越高。

（3）非线性失真尽可能小：功率与失真是一对矛盾，一般输出功率越大失真越严重。

（4）半导体的散热问题：功放电路中很大一部分功率被集电结消耗掉，使结温上升，为充分利用允许的管耗输出足够大的功率，散热非常重要。

（5）功放管的保护问题：为输出足够大的功率，管子承受的电压很高，通过的电流很大，管子较容易损坏。

2.2功率放大器的组成

多功能高质量的功率放大器分为两大部分，即前置放大部分和功率放大及电源部分。

前置放大

功率放大

电源

输入

信号

输出

信号

前置放大器：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。

前置放大部分又分为信号源前置放大器和主控前置放大器二部分。信号源前置放大器的作用：均衡输入信号并改善其信噪比。

主控前置放大器的作用：三个功能：放大微弱的音频信号，获得平直的频响，进行控制并美化音质。控制并美化音质是指音量、响度、音调和通道间的平衡等具体功能。

功率放大器组成框图

音量控制器：音量控制器一般使用电位器或步进式衰减器。在双通路立体音系统中，左右两声道的音量控制器一般是采用同轴电位器联动的。

音调控制器：弥补扬声器系统或放音环境频率响应的不足，满足听音者对频响的要求。

功率放大：主要功能是对前置放大器输出的信号进行功率放大，以推动扬声器系统放音。

电源：提供稳定的整机电源。

音量控制器：音量控制器一般使用电位器或步进式衰减器。在双通路立体音系统中，左右两声道的音量控制器一般是采用同轴电位器联动的。

音调控制器：弥补扬声器系统或放音环境频率响应的不足，满足听音者对频响的要求。

2.3稳压电源的设计

C1、C2容量为2200uF的点解电容，C3、C4容量为100000pF的涤纶电容。

220V、50Hz的室内电压，通过13:1的变压器形成Va-Vb=16.9V、

50Hz的交流电压，

再经过桥式整流电路和纹波电路形成Vo+≈+12V、Vo-≈-12V的直流电压。

B V o-

Vo+

A、B两点处的仿真结果

A

Vo+

Vo-

2.4前置放大电路的设计

上图为前置放大器中的音调控制部分，其中电位器W4为高音控制、电位器W2为低音控制。

当W4滑至C23端时，高音经C23得到衰减；下图为此时的简图。

当W4滑至C21端时，高音经C21

得到提升；下图为此时的简图。

高音控制

低音控制

音调控制电路

衰减；下图为此时的简图。

当W2滑至C17端时，低音由C19

当W2滑至C19端时，低音由C17

当W6滑至最右端时，输出最小，几乎为零；

当W6滑至最左端时，输出最大，几乎等于输入值。

以上音调控制器与音量控制器组合构成前置放大电路

仿真结果：

由以上结果可以看出，前置放大器的放大能力弱，但对输出的控制能力比较强，其主要作用是对功放进行控制并美化音质是指音量、响度、音调和通道间的平衡等。

2.5功率放大电路的设计

由上面的测试结果可知，前置放大电路对整个功放的贡献主要是对电路的音量、音调、响度以及均衡的调节，对整个信号的放大几乎没有贡献，但我们在使用功放的时候，输入很很弱的信号，听到的非常大，可见在电路中还要有对信号功率放大的电路，这样才能对信号进行功率放大，这部分被称为功率放大电路。下面电路就是以集成运算放大器TDA2030为核心的功率放大电路。

探针1

V: 11.2 V

V(p-p): 28.1 V V(rms): 10.0 V V(dc): 1.05 mV I: 12.0 mA

I(p-p): 32.2 mA I(rms): 11.4 mA I(dc): 1.11 uA

频率: 10.0 kHz

探针2V: 22.0 mV

V(p-p): 48.7 mV V(rms): 17.2 mV V(dc): 1.67 uV I: 0 A

I(p-p): 0 A I(rms): 0 A I(dc): 0 A

频率: 10.0 kHz

输入

W6滑至最左，W4、W2滑至最右

探针2V: 1.86 V

V(p-p): 4.03 V V(rms): 1.43 V V(dc): 129 uV I: 1.86 pA

I(p-p): 4.04 pA I(rms): 1.43 pA

I(dc): 0 A

频率: 10.0 kHz W6滑至最左，W4、W2滑至最左探针2

V: 99.1 mV

V(p-p): 198 mV V(rms): 70.2 mV V(dc): -6.69 uV I: 0 A

I(p-p): 0 A I(rms): 0 A

I(dc): 0 A

频率: 10.0 kHz

W6滑至最右，W4、W2滑至最左

探针2V: 649 uV

V(p-p): 2.74 mV V(rms): 974 uV V(dc): -118 nV I: 0 A

I(p-p): 0 A I(rms): 0 A

I(dc): 0 A

频率: 10.0 kHz W6滑至最右，W4、W2滑至最右输入

输出

功率放大电路

TDA2030是集成运算放大器，理想情况下可以认为输入电阻趋于无穷大，输出电阻趋于无穷小。输入信号Vo 经过R1的分压加载TDA2030的正向端，利用“虚短”、“虚地”的概念由R9、C14、R11起到放大作用，且该电路由于C14、C15的存在，该电路的增益受输入信号频率的影响。由此用Mltisim 的仿真结果如下：

探针2为输入信号，探针2

为输出信号。

电路图的链接

输入信号为1mV

、

10Hz 时，输出由右图可知185mV 、10Hz ，电压放大增益约为180.输入信号为1mV 、50Hz 时，输出由右图可知796mV 、50Hz ，电压放大增益约为800.

输入信号为1mV 、100Hz 时，输出由右图可知 2.19V 、100Hz ，电压放大增益约为2000.

输入信号为1mV 、200Hz 时，输出由右图可知 6.13V 、200Hz ，电压放大增益约为6000.

输入信号为1mV 、

500Hz 时，输出由右图可知11.5mV 、500Hz ，电压放大增益约为11.

输入信号为1mV 、1000Hz 时，输出由右图可知9.67mV 、186Hz ，电压放大增益约为9.7.

得到如下统计表：

输入信号

输出信号

大小频率大小电压增益1mV 10Hz 185mV 1801mV 50Hz 796mV 8001mV 100Hz 2.19V 22001mV 200Hz 6.13V 61001mV 500Hz 11.5mV 11.51mV 1000Hz 9.67mV 9.71mV 5000Hz 9.69mV 9.71mV

10000Hz

10.01mV

10

上面的仿真图表证实了放大电路的增益是随输入信号频率的变化而变化的。且能对整个电路起主要放大作用。

输入信号为1mV 、5000Hz 时，输出由右图可知9.69mV 、200Hz ，电压放大增益约为9.7.

输入信号为1mV 、10000Hz 时，输出由右图可知10.01mV 、500Hz ，电压放大增益约为10.

2.6功率放大电路的整体分析

把2.4中的前置放大电路和2.5中的功率放大电路组合在一起，并分别用两个并联起来就组成了响度、音调、音质美化可调的左右声道功率放大器。电路图如下：

接+12V

D、E、F端为左右声道的输入端，A、B、C端为左右声道的输出端。电位器W1起信号的均衡作用，W2、W3可以进行右左声道的低音调节，两者连接构成一个双联电位器，就可以同时调节左右声道的低音。W4、W5可以进行右左声道高音的调节，两者连接构成一个双联电位器，就可以同时调节左右声道的高音。W6、W7可以进行音量的调节，两者连接构成一个双联电位器，就可以同时调节左右声道的响度。

从DEF出输入一个信号，前置放大电路与功率放大电路就可以在ABC出得到一个功率放大的输出信号，当输出端接到喇叭上后，利用W1、（W2、W3）、（W4？W5）、（W6、W7）的调节就可以得到人们听起来非常舒服的声音了。

3功率放大器的安装与调试

3.1安装步骤

（1）.将元器件按照类别，大小识别、分类，与说明说上的清单进行对比看有没有遗漏的，然后对二极管等元件进行检测，看是否能正常工作。

（2）.先安装并焊接矮小，耐热的元件，如电阻、瓷片电容、导线等，再安装高

大的元件，如电解电容，最后焊接特殊元件，如怕热的三极管（TDA2030）。（3）.安装散热片。

（4）.检查有无未安装焊接完成的部分。

3.2电路板的检查与调试

检查电路

（1）.检查有无错焊、漏焊、虚焊，焊接部位有无热损伤或机械损伤。

通过检查，发现一个电位器疑似虚焊，用万用表电阻档检测，阻值应为0

（2）.然后对电路板外观进行整体检查后未发现错误，焊点均光亮，无拉尖，接通电源后予以调试时发现右声道无输出。

测试电路

1、当输入5mV，200Hz的信号时：

（1）、W6滑至最左端，W4、W2滑至最右端，调节W1，得到77mV的信号，增益约为15.4；

（2）、W6滑至最左端，W4、W2滑至最左端，调节W1，得到14.4V的信号，增益约为3000；

（3）、W6滑至最右端，W4、W2滑至最左端，调节W1，得到3.5mV的信号，增益约为0.7

（4）、W6滑至最右端，W4、W2滑至最左端，调节W1，得到2.45V的信号，增益约为500；

2、当输入5mV，100Hz的信号时：

（1）、W6滑至最左端，W4、W2滑至最右端，调节W1，得到22mV的信号，增益约为4.5；

（2）、W6滑至最左端，W4、W2滑至最左端，调节W1，得到4.32V的信号，增益约为860；

（3）、W6滑至最右端，W4、W2滑至最左端，调节W1，得到1.1mV的信号，增益约为0.2；

（4）、W6滑至最右端，W4、W2滑至最左端，调节W1，得到0.74V的信号，增益约为150；

误差分析

1.均衡两边的电压不完全相等，主要是电阻、电容的实际值与标称值之间存在误差，属于

元件误差。主要是由于温度的变化引起元件值出现误差。

2.在交流变直流的输出理论值为12v但实际测量值为12.4v与理论值之间存在差距，主要

由于中间存在变压、整流、滤波的步骤，但是滤波不一定能滤干净，总之最后出来的波不一定为完全为一条直线，其结果也不完全为12v。

3.TDA2030为放大低频的放大器，如果选用的频率较高，例如10kHZ，会导致其增益很低，

放大效果不是很好，只有选择50-100HZ时，才会有很好的放大效果。

4总结

这三周的课程设计就那么快的过去了，经过这三周，我们真的觉得自己学的东西还很少，只是用到模电这个知识领域里的很小一部分。通过这次课程设计，我们了解了TDA2030各个引脚的功能以及用它做功放电路的优势。知道要保证电路功率放大的作用，要尽可能减小失真，防止产生自激振荡，并要将杂质成分过滤掉，在连接电路图的过程中，知道了各个元器件的作用，在课程设计的过程中，加深了对课本知识的理解，让我们懂得了一点点的知识，通过这次实训，我们也借助很多东西去学会了仿真电子技术，懂得去用仿真来看看设计的正确性。通过三周，也我们实现了知识与能力的结合，但是却很难去完成。在课程设计中我们发现我们的焊接技术是很差的，出现了很多虚焊，一开始焊接完后电路板不能正常工作，只有一个音箱响，通过检查才发现调节右声道的电位器出现了虚焊，当老师提醒我们时，我们把电位器重新焊接才发现有虚焊。其次在选用电骡铁时，应该选用温度上升较快，且温度持续时间较长的，有利于更好的焊接。TDA2030为放大低频的放大器，如果选用的频率较高，例如10kHZ，会导致其增益很低，放大效果不是很好，只有选择50-100HZ时，才会有很好的放大效果。最后，我们应该好好学习专业的理论知识，当用于实践时，才能更好的明白其原理。