音频功率放大器课程设计otl音频功率放大器的设计与制作学位论文.doc

学 号：

课 程 设 计

题 目
OTL音频功率放大器的设计与制作
学 院
信息工程学院
专 业
通信工程
班 级
通信1302
姓 名

指导教师

2014
年
1
月
23
日

课程设计任务书
题 目: OTL音频功率放大器的设计与制作
初始条件：
元件：集成功放TDA2030A、集成稳压器LM7812、电阻、电容、电位计若干。
仪器：万用表、示波器、交流毫伏表、函数信号发生器、学生电源
要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、课程设计工作量：1周。
2、技术要求：
①要求设计制作一个音频功率放大器频率响应20~20KHZ，效率>60﹪，失真小。完成对音频功率放大器的设计、仿真、装配与调试，并自制直流稳压电源。
②确定设计方案以及电路原理图并用multisim进行电路仿真。
时间安排：
序号
设计内容
所用时间
1
布置任务及调研
1天
2
方案确定
0.5天
3
制作与调试
1.5天
4
撰写设计报告书
1天
5
答辩
1天

合 计
1周
指导教师签名：
系主任（或责任教师）签名： 年 月 日

目录

摘要 1
Abstract 2
音频功率放大器的设计与制作 3
1. 设计原理及参数 3
1.1音频功放电路的设计 3
1.1.1设计原理 3
1.1.2 参数计算 5
1.2直流稳压电源的设计 6
1.2.1设计原理 6
1.2.2参数计算 7
2.仿真结果及分析 8
2.1音频功率放大电路 8
2.1.1仿真原理图 8
2.1.2仿真效果图 9
2.2直流稳压电源电路 11
2.2.1电路原理图仿真 11
2.2.2仿真效果图 11
3.实物制作与性能测试 12
3.1音频功放实物制作 12
3.2性能测试 13
3.2.1功率性能测试 13
3.2.2频率响应测试 14
3.3直流稳压电源制作 14
3.4直流稳压电源的测试 15
4.收获以及体会 15
5.元器件清单 18
6. 主要参考文献资料 18
本科生课程设计成绩评定表 19

摘要
本课程设计是在学完《模拟电路基础》、《模拟电路基础实验》之后，通过复杂程度较高，综合性较强大型设计课题的实做训练。在现代生活中耳机放大器、音响设备、电视电脑都有功率放大电路存在。功率放大电路通常作为多级放大电路的输出级。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。总之，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。
我的此课程设计报告主要包括了课程的设计、原理、电路仿真、实物制作和性能测试等部分。利用现学知识设计并制作了音频功率放大器及为其提供直流偏置的12V稳压直流电源。音频功率放大器主要利用了由TDA2030A集成功放构成的单电源互补对称功放，实现高保真效果。直流稳压电源则主要利用LM7812稳压管，为电路提供稳定的直流输入电压。
关键词：功率放大、直流电源、TDA2030A

Abstract
The course design is in the completion of "Fundamentals of analog circuits", "analog circuit based experiment", through the higher complexity, strong comprehensive design project of large practical training. In modern life Headset amplifier, audio equipment, television and computer have a power amplification circuit exists. The power amplifier circuit is usually as the output stage of multistage amplifier circuit. In many electronic devices, the required output stage amplifier circuit can drive a load, such as driving instrument, so that the pointer deflection; drive the loudspeaker to sound, or drive; automatic control actuator system etc.. In short, demand amplification circuit has a large enough output power. Amplifying circuit that collectively referred to as the power amplifier circuit.
This curriculum design report I including curriculum design, principle, circuit simulation, physical production and testing part. To use existing knowledge to design and produce the audio power amplifier 12V and provides a regulated DC power supply, DC bias for the. Audio power amplifier is mainly used the single power complementary symmetry power amplifier is composed of a TDA2030A integrated power amplifier, to realize the high fidelity effect. DC regulated power supply is the main use of LM7812 voltage regulator tube, to provide the DC input voltage stability for circuit.
Keywords: power amplifier, DC power supply，TDA2030A
19

音频功率放大器的设计与制作

1. 设计原理及参数
1.1音频功放电路的设计
1.1.1设计原理
扬声器输出

音频信号输 入

放大级
输入级
输出级

音频功率放大器主要由输入级、放大级、输出级三个部分组成。
电路采用TDA2030A集成功率放大电路，具有输出功率大、保护性能完善、外围电路简单、使用方便等优点。工作范围为±6-±18V。
输入级：采用电容耦合输入。用以去掉音频信号中的低频信号，与R1构成高通低频响应。
放大级：采用TDA2030A集成芯片，输出功率大10W频率响应为10~1400Hz，输出电流峰值最大可达3.5A。其内部电路包含输入级、中间级和输出级,且有短路保护和过热保护,可确保电路工作安全可靠。
TDA2030A功率放大管利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的β倍，β是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的β倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流(或电压)是原先的β倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流及电压放大，就完成了功率放大。
TDA2030集成电路的第三个特点是外围电路简单，使用方便。在现有的各种功率集成电路中，它的管脚属于最少的一类，总共才5端，在焊接电路板的时候TDA2030A的管脚的分布对于焊接的时候很重要的，如果管脚的区分有错，直接会导致的功率放大器烧掉。通过查阅资料知道他的管脚分布为：汉字对着人，从左往右数为1 2 3 4 5 其1 为同相输入端2为反相输入端3为功率放大器的接地端4为功率放大器额的输出端5为功率放大器的电源线的接入端。TDA2030A参数如图：
表1.1 TDA2030A芯片参数

其中，R4作为同相输入的偏置电阻，电路增加交流电压并联负反馈，R5、R6决定了此交流负反馈的强弱和闭环增益。该电路闭环增益为：（R5+R6）/R6。R6电阻越小增益越大，但增益太大也容易导致信号失真。C1起到隔直流的作用，使得直流负反馈为100%，静态工作点稳定性好。
由于电源本身并不是完全直流的，里面含有纹波，会影响输出结果，因而需要在电源输入端对电源进行虑纹波，本实验设计采用在电源输入端并联一个大电容电容C8和一个小电容C2。大电容虑低频，小电容率高频，可有效的滤掉电源的纹波。
输出级：两个二极管接在输出和电源之间，防止扬声器感性负载反冲而影响音质。R8和C5串联对感性负载（喇叭）进行相位补偿，消除自激。C4电容起到隔自流同交流的作用。
原理电路采用单电源互补对称功放。它去掉了一组电源，在输出端与负载之间增加了一个大电容。改变外部电路电阻值，输出端4点的静态电位等于VCC/2。
电路原理如图：

图 1-1音频功放原理图
1.1.2 参数计算
l R1是音量调节电位计，本电路采用22k电位计
l C6是输入耦合电容（C1=1uf）由公式
C==1.5uf（公式1-1）
l f取10Hz，R=R1/2=10k C=1.6uf 实际中采用1uf电解电容。
l C8取100uf电解电容，C2取0.1uf陶瓷电容
l R4是TDA2030A同相输入端偏置电阻。
l R2、R3为反馈网络电阻（R2=R3=R7=100KΩ）。
l R6、R5决定了该电路交流负反馈的强弱及闭环增益。该电路闭环增益为
Av=(R6+R5)/R6=(4.7+150)/4.7=30.0（公式1-2）
l C1起隔直流作用,以使电路直流为100%负反馈。静态工作点稳定性好。  
l D1、D2是保护二极管,防止输出电压峰值损坏集成块TDA2030A，实际中采用1N4001二极管。
l 输出端接上电容C5=0.22 uF的陶瓷电容，R7=1Ω串联接地。

1.2直流稳压电源的设计
1.2.1设计原理

输出电路
稳压电路
滤波电路
整流电路
变压电路
220v交流输入

直流稳压电源主要由整流电路、滤波电路、稳压电路三部分实现。
变压电路：采用220：15变压器，交变输出有效值为15V，频率为50Hz交流电。
整流电路：采用单相桥式全波整流电路，由于二极管单向导通的特性，当二极管呈桥式相连时，无论输入电压呈正半周期或负半周期，都有电流同方向地流过负载。从而实现整流作用。波形如图：

图 1-2-1整流桥波形原理
滤波电路：采用电容滤波电路，利用电容充放电原理达到滤波作用。在脉动直流波形上升阶段，电容充电，由于充电时间常数很小，所以充电速度快；在波形的下降阶段，电容放电，由于时间常数很大，放电较慢。波形如图：

图 1-2-2滤波原理波形
稳压电路：采用LM7812集成稳压器，进一步稳定输出电压在12V。电路原理图如图所示：

图 1-2-3直流稳压电源原理图
220：15变压器输入有效值为输入端电容C3用于抵消输入端较长接线的电感效应，以防止自激震荡，还可以抑制电源的高频脉冲干扰。实际中采取小电容即可。输出端电容C10、C11用于改善负载的瞬态响应，消除电路的高频噪声，同时也具有消振作用。C10较大，优点是提高稳压电源的脉冲响应、输出较大的脉冲电流。然而当输出断开，二极管放电，较大电流会使稳压器损坏。所以在稳压器两端并联一个二极管D4，用以保护稳压器。
1.2.2参数计算
l 220：15变压器
l LM7812集成稳压器
l 4*1N4001制成整流桥，或直接选择集成整流桥
l C1滤波电容：选择1000uF电解电容
l C5、C7小电容 实验中选择了0.1uf陶瓷电容

2.仿真结果及分析
2.1音频功率放大电路
软件介绍：Multisim是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technoligics简称IIT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。
工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。
2.1.1仿真原理图

图 2-1-1音频功放仿真电路图
2.1.2仿真效果图
输入1Khz振幅100mvp，Vcc为12V。当电位计调至最大输入，波形如图：

图 2-1-2仿真波形图1
计算其最大放大倍数：
A=Vo/Vi=3.158V/98.982mV=31.9(公式1-3)
理论值：
A=（R5+R6）/R6=32.9（公式1-4）
调节电位计观察波形。当电位计调低，可以看见输出减小。所以调节电位计具有调节音量的作用。波形如图：

图 2-1-3仿真波形图2
观察放大电路输出电压

图 2-1-4仿真波形图3
Vk=6V=VCC/2 与理论值相符。

2.2直流稳压电源电路
2.2.1电路原理图仿真

图 2-2-1直流稳压电源仿真电路
2.2.2仿真效果图

图 2-2-2仿真波形4
经过变压器输入15V（有效值）交流电时，电路输出12.5V稳定电直流电。
电路频率响应仿真

图 2-2-3频率响应仿真
fl=4.7Hz

图 2-2-4频率响应仿真2
fh=22khz
B=fh-fl≈22khz
3.实物制作与性能测试
3.1音频功放实物制作
安装电路板，由于本电路采用功放集成电路，且只有5引脚，看准后，可直接焊在电路板上。按照布局图把元件逐一焊接在电路板上，对于二极管或电解电容等有极性器件要用仪器判断好后在焊接。元件全部焊接完成后，仔细检查几遍，确保器件连接正确后，方可通电测试。
1. 测量输出电压放大倍数Au
测试条件：直流电源电压15v，输入信号1KHz= 70 mv（振幅值100mv），输出负载电阻为8Ω。
2.测量允许的最大输入信号（1KHz）和最大不失真输出功率
测试条件：直流电源电压12v，负载电阻分为8Ω。
3.测量上、下限截止频率fH和fL
测试条件：直流电源电压12v，输入信号100mv（振幅值141mv），改变输入信号频率（负载电阻为8Ω）
实物如图：

图 3-1-1实物图1
3.2性能测试
3.2.1功率性能测试
在实验室里，选用低频信号发生器做信号源，用示波器观察波形，并测量出输出电压的有效值。测试取输入信频率f=1khz Vi=100mV（峰值约为141mv） RL=8Ω/20W，经测量和计算如下：
输出电压（有效值）3.26V
输出功率
（公式3-1）
电压放大倍
（公式3-2）
电源平均供给功率
（公式3-3）
转换效率
（公式3-4）
3.2.2频率响应测试
在保证输入信号Ui大小不变的条件下，改变低频信号发生器的频率。用交流毫伏表测出Uo=0.707Uom时，所对应的放大器上限截止频率fh和下限截止频率fl,算出频带宽度B:
fl≈10Hz
fh≈23KHz
B=fh－fl≈23KHz
与理论值相近。在误差允许范围内，实际测试值满足理论值标准，实验成功。
3.3直流稳压电源制作
安装电路板，本电路集成整流桥和LM7812集成稳压器。焊接较为简单。可直接焊在电路板上。按照布局图把元件逐一焊接在电路板上，对于二极管或电解电容等有极性器件要用仪器判断好后在焊接。元件全部焊接完成后，在仔细检查几遍，确保器件连接正确后，方可通电测试。测试必须注意用电安全，尤其保证变压器用绝缘胶胶好再通电，通电时不要随意触碰变压电路部分，防止漏电而导致触电。
实物如图：

图 3-3-1实物图2
3.4直流稳压电源的测试
实物通电之后将输出端连接示波器，观察。输出了较稳定的12V直流电源。实验成功。
4.收获以及体会
本着借着此次课程设计制作一些能够用于生活的更实用的实物的原则，我选择了制作音频功率放大器作为我此次课程设计的题目。音频功率放大电路以《模拟电子电路》书本上，TDA2030A构成的单电源互补放大电路为原型，再考虑到实际情况，对电路图做出了一些修改。得到了现在的音频功放原理图。在研究电路原理的过程中，我意识到自己之前所学得的理论知识存在很大的漏洞，对于许多元器件、电路的具体应用及其原理大多一知半解。而通过这一次课程设计对电路原理的研究，加深了我对模拟电子电路这门功课相应知识点的理解，填补了自己许多知识漏洞。同时也使我更好得将课程理论知识运用于实践当中，收获颇丰。然而在选定方案的过程中我并没有考虑到输出功率需要满足10W这一条件，直接采用了单源输入的设计方案。不过从实物效果来看，此音频功放同样具有较好的保真效果，工作效率达到60%。这一失误让我意识到制作之前了解设计要求的重要性，同时也告诫我在课程制作和设计时必须先做足充分准备再开始实践。这样既不会浪费耗材，也不会浪费自己的时间和精力。
制作直流稳压电源的出发点仅仅是为我的音频功放提供一个直流电源，能够使我不仅仅在实验室使用这个音频功放。这一直流电源制作虽然很简单，但是制成之后才发现，12V的直流稳压电源应用范围太过狭隘。考虑到实际成本和实用度，这一电源制作的性价比其实是比较低的。所以我也决定在寒假时，利用空闲时间将其做出一下修改。制成一个可调的直流稳压电源。方便自己今后的制作需要。
在运用Mulitisim仿真软件进行电路仿真的过程中，让我学会更流畅得使用此类仿真软件。同时，利用仿真软件更改各元器件、模拟各种实际情况能够加深我对各元器件在电路中应用的理解。先仿真、再制作，提高了我们实物制作的效率，降低实际工作量。而通过这一此课程设计的实际操作，我学习到很多运用仿真软件的新技能。
此次课程设计由于电路图较为复杂，虽然有一定电工电子实习的实践基础，但是在实际的电路板焊接过程中仍出现了较多问题。比如在焊接中，存在几处虚焊情况，严重影响了我后期的试调过程。直到拿着万用表一处一处排查，才找出故障所在。这也让我意识到自己做事粗心的缺点。这让我意识到不能够急于求成，要认真仔细做好每一步，否则将会给接下来的任务带来更大的麻烦。除此之外，焊接时芯片的引脚、电容等有极元件需要特别注意，防止粗心而出现失误，导致更多不必要的麻烦。在实际操作中，我就错焊了整流桥的四个引脚，导致第一次调试不成功。事后想来稳压电源需要面对220V交流电，而实验中的一些失误会造成很危险的后果，盲目测试存在很大的安全隐患。而实践中这样的插曲也让我更深刻意识到我们电类的实践操作绝非儿戏，需要我们用十分严谨、谨慎的态度面对遇到的每一个看似很小的问题。同时，实验之间对元器件故障排查也十分重要。实践中就存在由于元器件的损坏而导致调试一直不成功的情况。最后只能一个一个元器件排查损坏情况。同样带来了许多不必要的麻烦。其实只要在我们开始焊接元器件之前对需要用到的元器件做一次检查，确定没有损坏再使用，就能很好得防止这一情况的发生。当然，元器件也有可能是在调试过程中损坏的。这就要求我们不要盲目调试，需确保电路没有问题了再开始调试工作。
总而言之，这一次的课程设计是我做的第一个课程设计，也是第一次自己从设计到原理再到制作和最后的调试都自己独立完成的一次学习体验。通过这样的一次课程设计，在理论知识方面更好得巩固了相关知识点，同时，通过实践操作弥补了我很多知识上的漏洞，也学到了许多有用的新技能。而做完整个课程设计后，我意识到严谨、自习、踏实的态度对于我们这一专业学习、实践的重要性。在今后的学习生活中，我要牢记此次课程设计的教训和收获，不断努力，完善自己。最重要的是，这样的一次课程设计让我对我们专业的功课和实验、实践有了更大的兴趣。相信这一兴趣会促使我在专业学习上、实际操作中拥有更大的热情和激情。

5.元器件清单

表格 5.1元件清单
元件
数量
开关, 1P1S
1
电容0.1µF
4
电解电容 1000µF
1
电解电容 470µF
1
可变电阻 20kΩ
1
电阻 100kΩ
3
电阻 150kΩ
1
电阻 4.7kΩ
1
电阻 1Ω
1
电解电容 22µF
2
电解电容 2200µF
1
电解电容 1µF
1
电解电容 100µF
1
整流桥 3N250
1
稳压器 LM7812CT
1
二极管 1N4001
3
集成功放 TDA2030
1
扬声器 8Ω100W
1

6. 主要参考文献资料
[1] 吴友宇.《模拟电子技术基础》.北京：清华大学出版社，2009
[2] 臧春华.电子线路设计与应用.北京：高等出版社，2004
[3] TDA2030A使用手册
[4]康光华.《模拟电子技术基础实验（第五版）》.高等教育出版社，1986
[5]大学生电子设计网

本科生课程设计成绩评定表
姓 名
杨帆
性 别
女
专业、班级
通信工程1302班
课程设计题目：OTL音频放大器的设计与制作
课程设计答辩或质疑记录：

成绩评定依据：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字： 年 月