双声道有源音频功率放大器
四川信息职业技术学院
项目设计说明书
设计题目:双声道有源音频功率放大器专业:应用电子技术
班级:电创13-1班
学号:1336061
姓名:段绍华
指导教师:李怀甫
2014年 7 月 6 日
目录
摘要.................................................... 错误!未定义书签。第１章绪论.............................................. 错误!未定义书签。第2章设计方案.......................................... 错误!未定义书签。
2.1功率放大器的介绍.................................... 错误!未定义书签。
2.1.1 按所用的放大器件分类............................ 错误!未定义书签。
2.1.2 按输出级与扬声器的连接方式分类.................. 错误!未定义书签。
2.1.3 按输出管的偏置和工作状态分类.................... 错误!未定义书签。
2.2功率放大器的主要技术指标............................ 错误!未定义书签。
2.2.1 输出功率........................................ 错误!未定义书签。
2.2.2 频率响应 (8)
2.2.3 输入阻抗 (4)
2.2.4 信噪比 (8)
2.3设计方案 (9)
2.3.1 放案选择 (9)
2.3.2 方案框图 (9)
第3章音频功率放大器设计................................ 错误!未定义书签。
3.1单元电路设计........................................ 错误!未定义书签。
3.1.1 电源电路设计.................................... 错误!未定义书签。
3.1.2 话筒输入电路设计................................ 错误!未定义书签。
3.1.3 音调控制电路设计 (8)
3.1.4 功放电路设计.................................... 错误!未定义书签。
3.2整机电路工作原理 (12)
第４章电路仿真与调试 (13)
4.1M ULTISIM 10仿真软件介绍 (13)
4.2输入波形调试与观察 (13)
4.2.1话筒信号放大仿真 (13)
4.2.2音调控制电路仿真 (14)
4.2.3功率放大电路仿真 (15)
总结 (21)
致谢.................................................... 错误!未定义书签。参考文献.. (23)
附录1 整机原理图 (20)
附录2 元件明细表 (21)
摘要
随着当今社会的飞速发展,人们的生活要越来越高, 同时随着音响技术的发展,
人们对音响质量的要求也越来越高，为了满足人们的需求，设计音频功率放大器，它耗能少、效率高。功率放大器，简称“功放”。很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰看整个系统能否提供良好的音质输出。
本设计采用双声道输入、输出功放，功放板由两个高低音分别控制的采用负反馈式音调控制电路和TDA2030A功放电路以及前置采用NE5532放大电路和电源供电电路，前置放大电路的作用是将输入的音频信号放大，将放大的信号经过高低音控制在输出给功放电路，最后带动音箱系统。TDA2030A它在音频应用场合提供非常低的失真度和高质量的音质，还有了高增益、快转换速率、大输出电压摆幅，大电流能力和非常宽的电源范围等特性。
关键词NE5532前置放大；TDA2030A功率放大；
第1章绪论
音频功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域，几十年来，人们为之付出了
不懈的努力，无论从线路技术还是元器件方面，乃至于思想认识上都取得了很大的进步。回顾一下功率放大器的发展历程，对我们广大音响爱好者来说也许是一件很有趣味的事情。半导体技术的进步使晶体管放大器向前迈进了一大步。自从有了晶体管，人们就开始用它制造功率放大器。
而现在，随着科技的发展，人类的进步，如今市面上很多都才用集成功放了。集成功放具有很多的优点，搭建电路简单，失真小，效率也比较高，为广大人民带来了很大的方便，这受到了广大人民的喜爱。本次设计我采用的是TDA2030A集成功率放大器，TDA2030A具有外围元件少，制作非常容易，更重要的是TDA2030A内部具有欠压、过压、短路、热失控、瞬时音响峰值保护等优点，因此在使用过程中不易损坏。此次设计预期能够进行音量和音调的调节，面板有电源指示，开关和文字标识等。
本次设计的一个具体构思，因为本次设计的要求是采用有源的双声道功率放大器，所以在前置放大电路中我采用NE5532这块集成运放，因为NE5532内部有两个集成运放，所以两个声道分别放大。经放大以后在用集成运放采用负反馈式音调控制电路，最后在用TDA2030A进行功率放大输出给扬声器。
第2章设计方案
2.1 功率放大器的介绍
功放：功率放大器，把弱小的信号转换成大信号输出。而他的功率大小跟他的电源有直接关系，也和所选的功放管有关，同时也和电源有关。因为输出功率是他的电源提供的比如OCL电路是采用双电源供电，他的最大输出功率为Pom=Vcc2 /2RL，η=78.5%。当然，我们也不能一味的去提高功放电源，因为功放在设计时就已经算出了他的耐压以及最大输出功率。而功放的基本要求：1.有足够大的输出功率；2.效率要高；3.非线性失真要小；4.功放管的散热要好。
2.1.1 按所用的放大器件分类
可分为电子管式放大器、晶体管式放大器和集成管式放大器，目前市面上大多以集成管放大器和晶体管放大器为主。
现在大功率晶体管种类很多，优质的功放电路也非常的多，人们研制出许多优质新型电路使功放的谐波失真很容易减小到0.05%以下。场效应管是一种很有潜力的功率放大器件，它具有噪音小、动态范围大、负温度特性等特点。
由于集成电路的技术迅速发展，集成电路功率放大器也大量涌现出来，其工艺和指标都达到很高的水平，它的突出特点是体积小、电路简单、性能优越、保护功能完善等。
2.1.2 按输出级与扬声器的连接方式分类
经常使用的功率放大器有OTL电路、OCL电路、BTL电路等形式。
OTL电路，该电路采用的是单电源供电方式，输出级与扬声器之间采用电容耦合方式，该电路具有集成化、频率特性好等优点。
OCL电路，它是一种采用双电源供电的电路，该电路是OTL的改造型，工作原理电路结构与OTL电路相同但它的输出级与扬声器之间采用直接连接的方式，可进一步改善低频响应和失真度。
2.1.3 按输出管的工作状态分类
可分为甲类（A类）、乙类（B类）、甲乙类（AB类）。
甲类特点：当输入正弦波信号时功放管始终处于工作状态，即工作状态为整个
周期，其特点是失真小，但效率低最高只能达到50%，耗电大。
乙类特点：功放管的工作状态为半个周期，另外半个周期被截止。其特点是输出功率大，效率高最高可达到78.5%，但最大的缺点是容易产生交越失真。
甲乙类特点：功放管工作状态为大于半个周期小于一个周期，甲乙类功放既可以避免乙类所产生的交越失真，又可以解决甲类功放的功耗大的问题，还能在低负载阻抗是很好的工作。
2.2 功率放大的主要技术指标
2.2.1 输出功率
它反映了音频放大器对信号的放大能力和对信号的驱动能力，根据不同的标定方法它有额定功率和峰值音乐功率。其额定功率是指：放大器能长期承受的功率，它也是标准的输出功率。峰值功率是指：放大器能瞬间输出的最大功率。
2.2.2 频率响应
它是放大电路对不同频率的正弦信号的稳态响应。它反应了放大器能够不失真放大信号的有效频率范围。同时也反映了音频放大器对音频范围内各种频率成份的放大能力。它包括幅频特性和相频特性。幅频特性表示：幅度放大倍数与频率的关系。相频特性表示：电压放大倍数的相位与频率的关系。二者的综合全面表征了放大电路的频率响应（或频率特性）。
2.2.3 输入阻抗
是指放大器在输出端的等效阻抗，它的大小影响放大器的带负载能力，输出阻搞越小，带负载能力越强。
2.2.4 信噪比
是指放大器输出的信号电平与噪声电平的比值，用S/N表示，单位用dB，它越大表示放大器性能越好。
2.3 设计方案
2.3.1 方案选择
方案一：采用专用的功放集成芯片。TDA2030A是一款功率放大集成块，体积小巧，外围电路简单，且输出功率较大驱动级采用集成片，整个功放级采用大环电压负反馈。这种方案的优点是：由于反馈深度容易控制，故放大倍数容易控制。且失真度可以做到很小，使音质很纯净。
方案二：功率放大输出级采用分立元件构成的OCL电路，根据设计要求，可供选择的功率放大器可由分立元件组成，也可由集成电路完成。由分立元件组成的功放，如果电路选择得好，参数恰当，元件性能优越，且制作和调试得好，则性能很可能高过较好的集成功放。集成功放具有工作可靠，外围电路简单，保护功能较完善，易制作调试等优点，虽不及顶级功放的性能，但满足并超过本设计的要求是没有问题的。
故本系统设计选用方案一。该方案的优点是：输出功率较大、失真小、效率较高，且电路搭建简单。
2.3.2 方案框图
图2-1 系统组成框图
第3章音频功率放大电路设计
3.1 单元电路的设计
3.1.1 电源电路的设计
该电路由降压变压器、桥式整流电路和电容滤波电路三部分组成，如图3-1所示。该电路主要是功放进行供电。
图3-1 电源原理图
首先该电路经过变压器后得到一个25V的交流电，在经过桥式整流电容滤波以后得到的电压为Uo=1.2Uab=1.2×25=30V,因为输出从正极到负极总电压为30V,所以可取从正极到地为+15V，从负极到地可取-15V。假定LED的工作电压为2V,所以R1上分得的电压为13V,假定LED的工作电流为5mA,所以电阻R1=13v/5mA=2.6K,通常取2.7K.
功放的输出功率为：Pom=(Vcc-Uces)2/2Ro=（15-1）2/8=24.5W
Uom=14V,Iom=Pom/Uom=24.5/14=1.75A。
二极管的选择：Ifm=Iom/2=1.75/2=0.875A,取I=(1.5-2)Ifm=1.5×0.875=1.3A。URM=1.414×Uab≈17V,取V=(1.5-2)URM=17×2=34V。所以整流管选用1N4007型的管子。
电容的选择：C>(3~5)T/R，又因为是桥式整流，所以T=0.01s。
∴C=(3~5)0.01/4=7500uF~12500uF，这里采用4个2200uF的电容并联可以达到要求。
3.1.2 话筒输入电路设计
由于话筒信号只有10mV，线路输入300mV。这里采用NE5532把话筒信号放大40倍，得到一个Vc=400mV的信号，然后在分别通过两个电阻分压，使它分别得到两路与音频信号一样大小的信号为300mV,如图3-2所示。
图3-2 话筒输入电路原理图
因为这里采用的是同相放大输入，又因为是理想集成运放。所以根据理想运放具有：
虚断：I+=I-=0
虚地：U+=U-
所以Avf=(1+R33/R32）≈40，可取R33=200K,R32=5.1K。又因为话筒信号要
与音频信号相同，所以a点的电位为Va=Vb=[R38/(R38+R36)]*Vc=300mV,即Va=[R38/(R38+R36)]*400mV=300mV,所以可取R38=15K,R36=5.1K。
3.1.3 音调控制电路
音调控制器主要是控制，调节音响放大器的幅频特性，它只对低频和高频的增益进行提升和衰减，中音频的增益为0dB不变。因此，音调控制器的电路可以由低通滤波器和高通滤波器构成，由运算放大器构成音调控制器，电路调节简单，元件少。电路结构如图3-3所示，本电路采用负反馈式音调控制器，放大单元器件选用NE5532，可以很好的满足控制特性要求，只需采用小容量电容器即可。本次设计，我采用集成运放做前置放大，对于集成运放的选择，我选用的是NE5532,该集成运放内部采用双运放具有噪声低，同时具有优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽，电源电压大等优点。
NE5532的参数如下：
（1）小信号带宽：10MHz;
(2)输出驱动能力：600Ω，10V。
（3）大电源电压范围：正负3-20V。
图3-3 音调控制原理图
上图中，RP2是用来调节音量的大小，即为音量控制电路。设电容
C20=C22>C24，在中、低音频区，C24的容抗很大，可视为开路，此时高音电位器RP6在任何位置对低音都不会影响。在中、高音频区，当低音电位器RP5滑动到最左端时，C20可视为短路。由于电容C22对于低音信号容抗大，所以相对它提高了低音信号的放大倍数，起到了对低音提升的作用。同样，当RP2滑到最右端时，电容C22被短路，由于电容C20对输入的音频信号的低音信号具有较小的电压放大倍数，所以该电路可以实现低音的衰减。假设在低频时的频率取360Hz。所以根据低频频率 f =1/2πRC,若取R=22K,C=1/2πRf=1/6.28×22×103×360≈0.02uF,∴可取C20=C22=0.02uF。当在高频区时,假设取高频时的频率为1200Hz,假设取R14=7.5K,所以C24=1/2πRf=1/6.28×7.5×103×1200≈0.002uF,∴取C24=0.002uF。
因为音频信号是300mV,而现在把这个300mV的信号电压加在音调控制电路上，因为音调控制电路采用集成运放负反馈式电路，该音调控制电路会把输入的信号再一次放大，经放大后可以得到1V左右的电压，若把这个放大的信号直接加在末级功放上，会产生饱和失真，为避免这种情况，在电路的输出端接两个电阻R22进行分压，可取R22=62K。
低频提升与衰减，如下图4（a）和图4（b）所示。
图4（a）低音提升等效图图 4（b）低音衰减等效图
高频提升与衰减，如下图4（c）和图4（d）所示。
图4（c）高音提升等效图图4（d）高音衰减等效图
3.1.4 功放电路
采用集成功放设计不仅设计简单，而且稳定可靠，本次设计我采用的是TDA2030A集成运放，该器件具有输出功率大、谐波失真小、内置过热保护，外围电路简单，本次采用OCL电路，电路如图3-5所示。
TDA2030A主要参数：
工作电压：±6～22V
静态电流：<50mA
输出功率：18W，当V=±16V，RL=4Ω时
谐波失真：0.05%，当f=15kHz，RL=8Ω时
闭环增益：26dB，当f=1kHz时
开环增益：80dB，当f=1kHz时
频响范围：40～14000Hz
图3-4 功率放大电路原理图
因为TDA2030A的闭环增益为26，厂家给定的。因为本次设计采用双电源±15V 电源供电，输出最大电压Uom=15V,而整个电路的话筒输入信号为10mV,所以Av=Uom/Ui=15V/10mV=1500,又因为前面话筒部分放大了40倍，音调控制电路放大了3倍，根据多级放大器总的放大倍数等于各单级放大倍数之积，所以Av=Av1×Av2×Av3=40×3×Av3=1500,所以Av3=12.5。又根据TDA2030A的闭环增益为26，∴根据Gv=20lgAv3=26，∴Av3≈20，而在本电路中，Av3=1+R29/R27=1+22K/0.68K≈33，又因为33>12.5，所以能满足要求。
二极管D6、D7起保护作用，一是限制输入信号过大，二是防止电源极性接反。此外，负载扬声器属于感性负载，所以在扬声器两端并联一个RC串联电路，电阻R31、电容C39组成移相电路，使负载接近于纯电阻电路。C33、C35是低频旁路电容，C31、C37是高频旁路电容。
当Vcc=15V时，Uom=Vcc-Uce(sat)=14V,
∴最大不失真功率Pom=Uom2/2RL=142/8=24.5W。
3.2 整机电路工作原理
首先，整个电路由电源电路、话筒输入放大电路、音调控制电路、功率放大电路4部分组成。一个电路要工作，首先必须要为电路供电，所以电源的选取也是一个关键，本次设计我采用25V的变压器先降压，然后在进行桥式整流电容滤波，滤波后输出一个直流电约为±15V为电路供电。话筒信号是10mV,所以必须经过第一级放大40倍在用电阻分压使它和音频信号一样。然后加在音调电路上通过改变频率从而改变高低压，最后在输出给功放进行功率放大。
第４章电路仿真与调试
4.1 Multisim 10仿真软件介绍
本设计采用的是软件multisim 10来进行的仿真，首先按照音频功率放大器的设计原理图在仿真软件中连接原理图，并连接原理图的过程中注意元件的参数设置。Multisim是Interactive Image Technologies (Electronics Workbench)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。为适应不同的应用场合，Multisim推出了许多版本，用户可以根据自己的需要加以选择。在本书中将以教育版为演示软件，结合教学的实际需要，简要地介绍该软件的概况和使用方法，并给出几个应用实例。
它具有这样一些特点：
1.通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路。通过交互式SPICE仿真, 迅速了解电路行为。
2.借助高级电路分析, 理解基本设计特征。
3.通过一个工具链, 无缝地集成电路设计和虚拟测试。
4.通过改进、整合设计流程, 减少建模错误并缩短上市时间。
4.2 电路的仿真波形
4.2.1 话筒信号放大仿真
用信号发生器输入正弦波代替音频信号，要求输入的频率在频率范围300～3400Hz之间，我们首先选择=1.5KHz的信号作为输入信号，如果输入较大电压的信号会使运放处于饱和状态，输出波形完全失真，经过调试选择输入频率=1.5KHz 电压为10mVp的信号，调节示波器得到如图4-1、4-2所示。
图4-1 话筒信号放大仿真图
图4-2 话筒信号放大波形图
4.2.2 音调控制电路的仿真
如图4-3所示电路，通过改变电阻从而改变电路的频率来控制高低音，图4-4、
图4-5分别是低音和高音的波形。
图4-3 音调控制电路仿真图
图4-4 低音调节波形图图4-5 高音调节波形图
4-2-3 功率放大电路的仿真
把输入信号加在功率放大器的输入端，测出输出波形，假定加500mV的交流信号加在输入端，如图4-6所示电路图，图4-7所示波形图。
图4-6 功率放大仿真图
图4-7 功率放大输出波形图