模拟电路——音频功率放大器的设计与实现报告

实

验

报

告

课程名称：模拟电子电路实验

实验名称：音频功率放大器的设计与实现

班级：

学号：

姓名：

同组人员：

一、实验目的

1. 掌握放大电路的基本使用。

2. 掌握TDA2030的使用方法以及其经典电路。

3. 掌握功率放大电路的作用以及设计的原理。

4. 培养我们的动手能力以及考核已学的电路知识。

二、设计任务

三、实验内容与原理

1、设计内容

2、设计原理

3、TDA2030A主要器件及介绍

四、实验步骤

1、实验设计

五、PCB布线与焊接

（一）布线

（二）焊接

六、实验结果与分析

七、参考文献

八、附录

1、LM1875相关数据

2、LM7815（左）和LM7915（右）引脚图

一、实验目的

1.掌握放大电路的基本使用。

2.掌握TDA2030的使用方法以及其经典电路。

3.掌握功率放大电路的作用以及设计的原理。

4.培养我们的动手能力以及考核已学的电路知识。

二、设计任务

设计并制作一个音频功率放大电路（电路形式不限），负载为扬声器，阻抗8 。要求直流稳压电源供电，多级电压、功率放大，所设计的电路满足以下基本指标：

（1）频带宽度50Hz～20kHz，输出波形基本不失真；

（2）电路输出功率大于8W；

（3）输入阻抗：≥10kΩ；

（4）放大倍数：≥40dB；

（5）具有音调控制功能：低音100Hz处有±12dB的调节范围，高音10kHz处有±12dB的调节范围；

（6）所设计的电路具有一定的抗干扰能力；

（7）具有合适频响宽度、保真度要好、动态特性好。

发挥部分：

（1）增加电路输出短路保护功能；

（2）尽量提高放大器效率；

（3）尽量降低放大器电源电压；

（4）采用交流220V，50Hz电源供电。

三、实验内容与原理

1、设计内容

本电路设计采用前置放大电路和音频功率放大电路相结合的放大模式，前者采用有“运放之皇”的NE5532对电压进行放大，后者采用性能优良的TDA2030对电压和电流放大，给音响放大器的负载（扬声器）提供一定的输出功率。当负载一定时，希望输出的功率尽可能大，输出的信号的非线形失真尽可能的小，效率尽可能的高。在前置放大和功放之间加上一个滑动变阻，就保证了音量可调，在滑动变阻器之前再加上一足够大电阻，这样保证了信号不失真。除此之外，加上相应的旁路电容又使得电路具有杂音小，有电源退偶，无自激等优点。根据实例电路图和已经给定的原件参数，使用multisim10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。

2、设计原理

①．第一部分：在前置放大电路中，我们采用了NE5532，由于一般信号源所输出的信号幅度很小，仅为几十分贝的增益，较难使功率放大器输出较大的功率。因此在功率放大器前面加一放大电路——前置放大电路，将信号源的小信号放大至功率放大器所需要的信号。此外，前置放大电路还将不同信号源所输入的不同阻抗、不同幅度的电压进行阻抗匹配等处理后送至功率放大器。

②．第二部分：音调控制电路，负反馈式音调控制器的工作原理，由于集成运算放大器具有电压增益高、输入阻抗高等优点，用它制作的音调控制电路具有电路结构简单、工作稳定等优点，典型的电路结构如图2所示。其中电位器Rp1是高音调节电位器，Rp2是低音调节电位器，电容C是音频信号输入耦合电容，电容C1、C2是低音提升和衰减电容，一般选择C1=C2，电容C3起到高音提升和衰减作用，要求C3的值远远小于C1。电路中各元件一般要满足的关系为：Rp1=Rp2，R1=R2=R3，C1=C2，Rp1=9R1。

低音

R1R2

负反馈式音调控制器的完整的幅频特性曲线的波特图

20

10

f

音调控制电路的幅频响应波特图

③、第三部分：功率放大器：

功率放大电路通常作为多级放大电路的输出级。功率放大器的常见电路形式有OTL电路和OCL电路。在很多电子设备中，要求放大电路的输出级能够带动某种负载，例如驱动仪表，使指针偏转；驱动扬声器，使之发声；或驱动自动控制系统中的执行机构等。也就是把输入的模拟信号经被放大后,去推动一个实际的负载工作，所以要求放大电路有足够大的输出功率，这样的放大电路统称为功率放大电路。而音频功率放大器的作用就是给音响放大器的负载RL（扬声器）提供一定的输出功率。当负载一定时，希望输出的功率尽可能大，输出的信号的非线形失真尽可能地小，效率尽可能的高。随着半导体工艺,技术的不断发展,输出功率几十瓦以上的集成放大器已经得到了广泛的应用。功率VMOS管的出现,也给功率放大器的发展带来了新的生机。总之，功率放大器的主要任务是向负载提供较大的信号功率,故功率放大器应具有以下几个主要特点：

1）输出功率要足够大

工作在大信号状态下,输出电压和输出电流都很大.要求在允许的失真条件下,尽可能提高输出功率。

2）效率要高

功率放大器实质上是一个能量转换器,它是将电源供给的直流能量转换成交流信号的能量输送给负载,因此,要求转换效率高.在直流电源提供相同直流功率的条件下,输出信号功率愈大,电路的效率愈高。

3）非线性失真要小

功率放大器是在大信号状态下工作,电压,电流摆动幅度很大,而且由于三极管是非线性器件,在大信号工作状态下,器件本身的非线性问题十分突出,因此,输出信号不可避免地会产生一定的非线性失真.在实际应用中,要采取措施减少失真,使之满足负载要求。

在功放部分我们用了TDA2030

3、TDA2030A主要器件及介绍

3.1 TDA2030实物

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。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。实物如下图：

TDA2030示意图：

3.2 TDA2030的管脚功能及图

（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

图2TDA2030管脚

3.3 TDA2030的工作

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%。

3.4 TDA2030的特点及注意事项

（1） TDA2030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，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。

（4）印刷电路板设计时必须较好的考虑地线与输出的去耦，因为这些线路有大的电流通过。

（5）装配时散热片与之间不需要绝缘，引线长度应尽可能短，焊接温度不得超过260℃，12秒。

（6）虽然TDA2030所需的元件很少，但所选的元件必须是品质有保障的元件。

极限参数：

四、实验步骤

1.实验设计

负反馈式音调控制器的工作原理

由于集成运算放大器具有电压增益高、输入阻抗高等优点，用它制作的音调控制电路具有电路结构简单、工作稳定等优点

如图所示：

电路图：

电源电路

电路组成：

LM7815和LM7915是三段稳压集成电路IC芯片元器件，适用于各种电源稳压电路，输出稳定性好、使用方便、输出过流、过热自动保护。

前置放大器采用运放NE5532。NE5532是高性能低噪声双运算放大器（双运放）集成电路，与很多标准运放相似，但它具有更好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽，电源电压范围大等特点。因此很适合应用在高品质和专业音响设备、仪器、控制电路及电话通道放大器。用作音频放大时音色温暖，保真度高，在上世纪九十年代初的音响界被发烧友们誉为“运放之皇”，至今仍是很多音响发烧友手中必备的运放之一。

功放级放大器采用功放LM1875。LM1875 是美国国家半导体公司研发的一款功放集成块。LM1875采用TO-220封装结构，形如一只中功率管，体积小巧，外围电路简单，且输出功率较大。

电源电路通过变压器将220V交流电压变压到12V，通过整流桥进行滤波，滤波电容采用2个2200UF/25V电解电容并联，正负电源共用2个0.33uF的电容，2个0.1uF的电容。稳压器减小电压纹波，将电源输出电压稳定在12V，驱动运放功放工作。

五、PCB布线与焊接

（一）布线：

1．布线方向：从焊接面看，元件的排列方位尽可能保持与原理图相

一致，布线方向最好与电路图走线方向相一致，因生产过程中通常需要在焊接面进行各种参数的检测，故这样做便于生产中的检查，调试及检修（注：指在满足电路性能及整机安装与面板布局要求的前提下）。2．各元件排列，分布要合理和均匀，力求整齐，美观，结构严谨的

工艺要求。

3、设计布线图时要注意管脚排列顺序，元件脚间距要合理。

4．在保证电路性能要求的前提下，设计时应力求走线合理，少用外

接跨线，

并按一定顺充要求走线，力求直观，便于安装，高度和检修。

5．设计布线图时走线尽量少拐弯，力求线条简单明了。

6．布线条宽窄和线条间距要适中，电容器两焊盘间距应尽可能与电容引线脚的间距相符；

7．设计应按一定顺序方向进行，例如可以由左往右和由上而下的顺序进行。

（二）焊接：

1、烙铁要放在架上，以免烫到人或其他器件。

2、需要用到的器件应该准备好，方在左手边，以便随时可以拿到进行焊接。

3、焊盘内孔边缘到印制板边的距离要大于1mm，这样可以避免加工时导致焊盘缺损。

4、焊盘的开口：有些器件是在经过波峰焊后补焊的，但由于经过波峰焊后焊盘内孔被锡封住，使器件无法插下去，解决办法是在印制板加工时对该焊盘开一小口，这样波峰焊时内孔就不会被封住，而且也不会影响正常的焊接。

5、焊盘补泪滴：当与焊盘连接的走线较细时，要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状，这样的好处是焊盘不容易起皮，而是走线与焊盘不易断开。

6、相邻的焊盘要避免成锐角或大面积的铜箔，成锐角会造成波峰焊困难，而且有桥接的危险，大面积铜箔因散热过快会导致不易焊接。

7、焊接的时候要注意不要把不相连的点挂接。

8、焊接的时候烙铁的温度不要太高，焊接的时间不要太长，以免焊盘脱落和在焊接的时候就把器件烧坏。

9、焊接完后好对电路图进行检测，看是否所有器件都是好的，看是否有挂接和虚焊的。

在接电源是应该特别的注意一下几点：

（1）本作品外接交流12V变压器电源输入，要先弄清楚变压器的用法。

（2）在接电源前要注意电解电容的方向是否正确。

六、实验结果与分析：

电路基本实现设计要求。测试效果良好。

思考题

1、对一个音频功率放大器的前置级有什么要求？对于功率放大级有什么要求？

对音频功率放大器的前置级要求输入阻抗高、输出阻抗小、频带宽、噪声小。对功率放大级的要求是输出效率高，输出功率大。2、何为D类功率放大器？D类功率放大器有什么特点？请列举出目前常用的D类集成音频功率放大器的芯片型号。

D类功率放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM数字信息变换成PWM(脉冲宽度调制)或PDM(脉冲密度调制)的脉冲信号,然后用PWM 或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器，也称为开关放大器。

D类功率放大器的特点：具有很高的效率，通常能够达到85%以上。体积小，可以比模拟的放大电路节省很大的空间。无裂噪声接通。低失真，频率响应曲线好。外围元器件少，便于设计调试。

目前常用的D类集成音频功率放大器的芯片型号：

新日本无线公司生产的NJU8721、NJU8725,TI公司的TPA2000D4等.

雅玛哈公司的 YDA131-E,Tripath公司的TA2021、TI公司的

TPA2000D2,ST微电子公司的TDA7480等.路数据表中所推荐使用的MOS-FET.最近,日本三洋电机开发出了专门用于功率级的混合集成

电路STK210-030。

3、试画出利用TDA2030/2030A实现的OTL功率放大器电路？若要输出8W的功率，对电源电压有什么要求？若要求进一步提高输出功率，TDA2030/2030A可接成BTL结构，试画出BTL电路图，并说明其工作原理。

OTL电路图：

若要输出功率8W，则要求电源电压正负绝对值不低于11.3V。

BTL电路图：

工作原理:

用两块TDA2030 组成如图1所示的BTL功放电路，TDA 2030（1）为同相放大器，输入信号Vin通过交流耦合电容C1进入同相输入端①脚，交流闭环增益为KVC①＝1＋R3 / R2≈R3 / R2≈30dB。R3 同时又使电路构成直流全闭环组态，确保电路直流工作点稳定。TAD 2030（2）为反相放大器，它的输入信号是由TDA 2030（1）输出端的U01 经R5、R7分压器衰减后取得的，并经电容C6反馈给反相输入端②脚，它的交流闭环增益KVC②＝R9 / R7//R5≈R9/R7≈30dB。由R9＝R5，所以TDA 2030（1）与TDA 2030（2）的两个输出信号U01 和U02 应该是幅度相等相位相反的，即：U01≈Uin·R3/R2，U02≈－U01·R9 / R5，∵R9＝R5，∴U02 ＝－U01因此在扬声器上得到的交流电压应为：U01-（-U02）＝2U01＝2U02扬声器得到的功率 PY＝4PMONO。

4、什么是自激振荡现象？如果电路一旦出现自激振荡，将如何解决？

自激振荡就是内部等效元件构成正反馈产生的振荡现象，一种是人为的在放大线路中加入移相元件，如L、C，那是想要的产生的交变信号，还有一种是本来是一个正常电路，但由于设计参数不当或器