音频功率放大电路设计

课程设计说明书题目：音频功率放大电路设计课程名称：模拟电子技术学院：电子信息与电气工程学院学生姓名：学号：201102010063专业班级：自动化2011级2班指导教师：张天鹏2013年6月7日成绩课程设计任务书设计题目音频功率放大电路设计学生姓名周亚运所在学院电子信息与电气工程学院专业、年级、班自动化2011级2班设计要求：1、设计制作一个音频功率放大电路（带高低音调节）；2、负载电阻为8Ω（扩音器的等效阻抗）；3、额定输出功率为4W；4、带宽大于50Hz~15kHz；5、音调控制为：低音（100Hz）±12dB,高音（10KHz）±12dB；6、输入阻抗约100KΩ；学生应完成的任务：设计一个音频功率放大电路，并利用Multisim软件进行电路仿真。利用DXP软件绘制电路原理图，并设计制作电路的PCB板。根据设计原理对电路进行安装调试，完成课程设计工作，并提交课程设计报告。参考文献：[1]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2005.[2]秦长海，张天鹏，翟亚芳.数字电子技术[M].北京：北京大学出版社，2012.[3]邱关源，罗先觉.电路（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.[4]阎石.数字电子技术（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2005.工作计划：5月27日—29日完成原理图的设计；5月29日—31日进行PCB设计；6月3日号—4日制作PCB板；6月5日—7日电路板安装与调试，提交课程设计报告。任务下达日期：2013年5月27日任务完成日期：2013年6月7日指导教师（签名）：学生（签名）：音频功率放大电路的设计摘要：设计一个音频功率放大电路,该电路由前置放大、音调调节、功率放大三个部分组成，并且带有高低音调节，负载电阻为8Ω（扩音器的等效阻抗）；额定输出功率为4W；带宽大于50Hz~15kHz；音调控制为：低音（100Hz）±12dB,高音（10KHz）±12dB。输入阻抗约100KΩ。前置放大是由反向比例运算放大器组成，主要元器件是NE5532P。音调放大由运算放大器构成，可以对高频段和低频段的增益分别进行提升和衰减。功率放大是OTL电路构成，主要元器件是TDA2030。关键词：音频放大；前置放大；音调调节；功率放大目录1.设计背景………………………………………………………………11.1学习集成运算放大电路的基本知识……………………………11.2了解有源滤波电路的基本原理………...…………………12.设计方案..............................................................12.1设计方案……………………………………………………………12.1任务分析…………………………………………………………12.2方案论证…………………………………………………………13.方案实施……………………………………………………………33.1原理图设计………………………………………………………33.2电路模拟…………………………………………………………73.3PCB制作…………………………………………………………93.4安装与调试………………………………………………………104.结果与结论…………………………………………………………104.1结果…………………………………………………………………104.2结论…………………………………………………………………105.收获与致谢…………………………………………………………106.参考文献………………………………………………………………117.附件…………………………………………………………………117.1电路原理图………………………………………………………117.2PCB布线图………………………………………………………117.3元器件清单……………………………………………………………127.4.实物拍图……………………………………………………………1311.设计背景1.1学习集成运算放大电路的基本知识集成运放实际上是一种高性能的直接耦合放大电路，从外部看，可等效为双端输入、单端输出的差分放大电路。通常由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分组成。对于由双极型管组成的集成运放，输入级多用差分放大电路，中间级为共射电路，输出级多用互补输出级，偏置电路是多路电流源电路。1.2了解有源滤波电路的基本原理通常，按照滤波电路的工作频带为其命名，分为低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）、带阻滤波器（BEF）、和全通滤波器（APF）.设截止频率为pf，频率低于pf的信号能够通过，高于pf的信号被衰减的滤波电路称为低通滤波器，反之称为高通滤波器。设低频段的截止频率为1pf，高频段的截止频率为2pf，频率在1pf、2pf之间的信号能够通过，低于1pf和高于2pf的信号被衰减的滤波电路称为带通滤波器，反之称为带阻滤波器。2.设计方案2.1任务分析根据实习要求可知，本次实习是设计一个音频功率放大电路，因为要对音源信号进行放大，因此必须有一个前置放大电路。因为还要对音调进行控制，因此必须有一个音调调节电路。音调调节由低通、高通、带通等滤波信号组成，可以根据要求对声音中某些频率段的增益进行提升或衰减。2.2方案论证前置放大是将外部的音源信号进行放大并且输出。音频功率放大器的作用是将声音源输入的信号进行放大，然后输出驱动扬声器。声音源的种类有多种，如传声器（话筒）、电唱机、录音机（放音磁头）、CD唱机及线路传输等，这些声音源的2输出信号的电压差别很大，从零点几毫伏到几百毫伏。一般功率放大器的输入灵敏度是一定的，这些不同的声音源信号如果直接输入到功率放大器中的话，对于输入过低的信号，功率放大器输出功率不足，不能充分发挥功放的作用；假如输入信号的幅值过大，功率放大器的输出信号将严重过载失真，这样将失去了音频放大的意义。所以一个实用的音频功率放大系统必须设置前置放大器，以便使放大器适应不同的的输入信号，或放大，或衰减，或进行阻抗变换，使其与功率放大器的输入灵敏度相匹配在这里我们的主要元器件采用了NE5532P，因为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。音调调节是由低通、高通、带通、等滤波器组成，可以对音调进行控制的电路，可以使使用者根据具体的使用要求，对声音信号中某些频率段的增益进行调整。音调控制电路大致可分为三大类：（1）衰减式音调控制电路（2（晶体管、运放）负反馈音调控制电路（3）负反馈混合式音调控制电路。电路一般使用高音、低音两个调节电位器；音调控制电路的于中音频而言。所谓衰减，就是比中音频的衰减还要大一些。一个良好的音调控制电路，要有足够的高、低音调节范围，但又同时要求高、低音从最强到最弱的整个调节过程里，中音信号不发生明显的幅度变化，以保证音质大致不变。而衰减式和负反馈式相比。衰减式音调控制电路的调节范围可以做得较宽，但因中音电平要作很大衷减，并且在调节过程中整个电路的阻抗也在变。所以噪声和失真大一些。负反馈式音调控制电路的噪声和失真较小，但调节范围受最大负反馈量的限制，所以实际的电路常和输入衷减联合使用，成为衰减负反馈混合式。它们各有优缺点，在本次实习中我们采用了反向负反馈。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。外部音源信号经过前置放大、音调调节后，输入最后的功率放大级，然后驱动扬声器，发出声音。本次试验中的功率放3大器采用TDA2030集成块，其本质就死一个运算放大器，与其他运放相比，它有比较大的电流输出能力，可以输出较大的电流。功率放大电路原理图如图1所示。图1功率放大电路原理图3方案实施3.1原理图设计1、前置放大本次试验，前置放大电路，均衡电路均使用的是NE5532P，是一种双运放高性能低噪声运算放大器。相比较大多数标准运算放大器，它显示出更好的噪声性能，提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源带宽。这使该器件特别适合应用在高品质和专业音响设备，仪器和控制电路和电话通道放大器。NE5532P的极限额定值如表1所示。表1NE5532P极限额定值符号参数数值单位VSSupplyvoltage电源电压±22VVINInputvoltage输入电压±VSUPPLYVVDIFFDifferentialinputvoltage1差分输入电压±0.5VTambOperatingtemperaturerange工作温度范围0to70℃TstgStoragetemperature存储温度–65to+150℃TjJunctiontemperature结温150℃PD最大功耗，Tamb=25℃1200mW音源前置放大音调调节功率放大4Tsld焊接温度（极限值10秒）230℃在反相比例运算电路中，如图2所示，输入电阻为1R，同时2R与1R的比值就是放大倍数，减小1R可以提高放大倍数，但也减小了输入电阻。1R=100K；2R=510K；IURRU120=-5.1；人耳朵听到的最低频率是20Hz，因此1100212CRwf20Hz1C0.08uF，由元器件清单可知1C=10uF图2前置放大设计电路图2、音调调节音调控制电路的主要功能是通过对放音频带内放大器的频率响应曲线的形状进行控制，从而达到控制放音音色的目的。此外还能补偿信号中所欠缺的频率分量，使音质得到改善，从而提高放音系统的放音效果。在高保真放音电路中，一般采用的是高、低音分别可调的音调控制电路。一个良好的音调控制电路，要求有足够的高、低音调节范围，同时有要求在高、低音从最强调到最弱的整个过程中，中音信号（一般指1kHz）不发生明显的幅值变化，以保证音量在音调控制过程中不至于有太大的变化。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5制电路。如图3所示，4R是高音调节电位器，5R是笛音调节电位器，电容2C是音频信号输入耦合电容，3C、4C是低音提升和衰减电容，一般情况下3C=4C，电容5C起到高音提升和衰减作用，要求5C远小于3C、4C。电路中各元器件一般满足的关系为4R=5R；3R=6R=8R；3C=4C；由电路可知863RRR10K；54RR100K；7R=3.3K；由于没有3.3K的电阻，在此处选择7R=4.7K。fL2=fL×22=400Hz；fL1=400/10=40Hz；fH1=fH×2-2=2.5KHz；fH2=10×fH1=25KHz；Lf为低频频率，Hf为高频频率，1Lf为低频转折频率，2Lf为中低频转折频率，1Hf为中高频转折频率，2Hf为高频转折频率。由此可知：带宽大于40~25KHz，满足设计要求。由fH2=5421CR=25KHz；计算出：C5=1.9nF；因为只能选择大于1.9nF的电容，因此5C=2.2nF。fL1=CR421=40Hz；计算出：C3=C4=C=40nF。因为没有40nF的电容，因此选择47nF。6图3音调调节电路3、功率放大功率放大器的作用是给音响放大器的负载提供所需要的输出功率。功率放大器的主要性能指标有最大输出不失真功率、失真度、信噪比、频率响应和效率。目前常见的电路结构有OTL型、OCL型、DC型和CL型。有全部采用分立元件晶体管组成的功率放大器；也有采用集成运算放大器和大功率晶体管构成的功率放大器；随着集成电路的发展，全集成功率放大器应用越来越多。由于集成功率放大器使用和调试方便、体积小、重量轻、成