模拟电子基础课程设计说明书高保真音频功率放大器的仿真设计与实现.doc

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1、目录1设计要求及思路 2 1.1 题目 2 1.2 设计任务 2 1.3 设计要求 2 1.4 设计思路 22仿真软件介绍 52.1 仿真软件概况 52.2 仿真软件优点及应用范围 52.3 仿真软件版本 5 3 电路原理图 63.1 工作原理论述 83.2 理论分析 84 仿真部分 94.1 仿真曲线分析 104.2 仿真曲线结论 135 实物 14 5.1 元件清单 14 5.2 实物展示 146 心得体会 157 参考文献 161 设计要求及思路 1.1 题目：高保真音频功率放大器的仿真设计与实现 1.2 设计任务：根据技术指标和已知条件，选择合适的功放电路，如：OCL、OTL、或BTL

2、电路。完成对高保真音频功率放大器的设计、装备与调试。 1.3设计要求：在8扬声器的负载下，达到10W的输出功率, 频率响应20-20KHz, 效率60%, 失真小。1.4设计思路：1.4.1 功放电路，我们决定在OCL、OTL和BTL电路中选择其一进行设计。 图表 1OTL电路图 图表2OCL电路 OTL(Output Transformer Less)电路：称为无输出变压器功放电路。是一种输出级与扬声器之间采用电容耦合而无输出变压器的功放电路，它是高保真功率放大器的基本电路之一，但输出端的耦合电容对频响也有一定影响。OTL电路的主要特点有：采用单电源供电方式，输出端直流电位为电源电压的一半；

3、输出端与负载之间采用大容量电容耦合，扬声器一端接地；具有恒压输出特性，允许扬声器阻抗在4、8、16之中选择，最大输出电压的振幅为电源电压的一半，即1/2 V CC，额定输出功率约为 /(8RL)。 OCL(Output Condensert Less)电路：称为无输出电容功放电路，是在OTL电路的基础上发展起来的。OCL电路的主要特点有：采用双电源供电方式，输出端直流电位为零；由于没有输出电容，低频特性很好；扬声器一端接地，一端直接与放大器输出端连接，因此须设置保护电路；具有恒压输出特性；允许选择4、8或16负载；最大输出电压振幅为正负电源值，额定输出功率约为 /(2RL)。需要指出，若正负电

4、源值取OTL电路单电源值的一半，则两种电路的额定输出功率相同，都是 /(8RL)。 BTL（Balanced Transformer Less）电路：称为平衡桥式功放电路。它由两组对称的 OTL或OCL电路组成，扬声器接在两组OTL 或OCL电路输出端之间，即扬声器两端都不接地。BTL电路的主要特点有：可采用单电源供电，两个输出端直流电位相等，无直流电流通过扬声器，与OTL、OCL电路相比，在相同电源电压、相同负载情况下，BTL电路输出电压可增大一倍，输出功率可增大四倍，这意味着在较低的电源电压时也可获得较大的输功率，但是，扬声器没有接地端，给检修工作带来不便。 经过筛选，为了得到更大的电压增

5、益放大，以及更大的功率放大，我们决定选择BTL电路图。 1.4.2 芯片选择。 我们选取的芯片为TDA2030A芯片 TDA2030A芯片：TDA 2030 是一块性能十分优良的功率放大集成电路，其主要特点是上升速率高、瞬态互调失真小，在目前流行的数十种功率放大集成电路中，规定瞬态互调失真指标的仅有包括TDA 2030 在内的几种。我们知道，瞬态互调失真是决定放大器品质的重要因素，该集成功放的一个重要优点。 TDA2030 集成电路的另一特点是输出功率大，而保护性能以较完善。根据掌握的资料，在各国生产的单片集成电路中，输出功率最大的不过20W，而TDA 2030的输出功率却能达18W，若使用两

6、块电路组成BTL电路，输出功率可增至35W。另一方面，大功率集成块由于所用电源电压高、输出电流大，在使用中稍有不慎往往致使损坏。然而在TDA 2030集成电路中，设计了较为完善的保护电路，一旦输出电流过大或管壳过热，集成块能自动地减流或截止，使自己得到保护（当然这保护是有条件的，我们决不能因为有保护功能而不适当地进行使用）。 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，外型如同塑封大功率管，这就给使用带来不少方便。 TDA2030 在电源电压14V，负载电阻为4时输出14瓦功率（失真度05）；在电源电压 16V，

7、负载电阻为4时输出18瓦功率（失真度05）。该电路由于价廉质优，使用方便，并正在越来越广泛地应用于各种款式收录机和高保真立体声设备中。该电路可供低频课程设计选用。 最终，我们选择的原理图为，tda2030aBTL功放电路图。2 仿真软件介绍2.1仿真软件概况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

8、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。2.2 仿真软件的优点及应用范围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, 迅速了解电路行为借助高级电路分析, 理解基本设计特征通过一个工具链, 无缝地集成电路设计和虚拟测试通过改进、整合设计流程, 减少建模错误并缩短上市时间NI Multisim软件结合了直观的

9、捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。2.3 仿真软件版本 multisim 103 电路原理图图13.1 工作原理论述工作原理: 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

10、信号Vin通过交流耦合电容C1馈入同相输入端脚，交流闭环增益为KVC1R3 / R2R3 / R230dB。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 后馈给反相输入端脚，它的交流闭环增益KVCR9 / R7/R5R9/R730dB。由R9R5，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： U01UinR3 / R2U02U01R9 / R5 R9R5 U02 U01因此在扬

11、声器上得到的交流电压应为：UY U01 -（ -U02） 2U01 2U02扬声器得到的功率 PY 按下式计算：PY =4pmono3.2 理论分析 R11为变阻器，用来控制扬声器上的端电压。C1起到隔直传交的作用。C3，C3和C2，C6分别是用来作为退耦电容。C8,R8和C9,R9是作为消除喇叭网络和TDA网络之间的影响的。R3,R4,C4和R5,R6,C5是分别为TDA2030A（1）（2）的反馈网络。R1，R2是起到对称作用。4 仿真部分 上图为接入交流电源后的测试图形，偏置电源用12伏。4.1仿真曲线分析 第一次：输入电压时1V的交流电，1KHZ。失真严重。分析为输入电压太大。于是继续

12、调节，不断减小电压值，当输入电压为0.3V，1KHZ时：输出曲线不再失真，而功率值也达到了要求的10W值。于是确实输入电压。从图中也可以看出，输入波形相对于输出其峰值微不可见，可见放大倍数之大。下面是输入20HZ交流电时的波形图：下面是输入20KHZ交流电时的波形图：4.2 仿真分析结论 从仿真可以看出，该电路图的设计是成功的，达到了设计要求，输入交流电压为0.3伏时，可以是功率最大达到24W。5 实物我们采用的是拉锡走线的焊接方式。5.1 元件清单：该电路的元件清单为： 极性电容：2.2UF X1 22UF X2 100UF X2 无极性电容：0.1UF X2 0.22UF X2 电阻：1

13、X2 680X2 22KX5 可变电阻：50KX1 扬声器：8X1 5.2 实物展示： 6 心得体会 7 参考文献参考文献1 胡宴如模拟电子技术M高等教育出版社，2000，8.2 胡宴如高频电子线路M高等教育出版社，1998，5.3 关键电子CAD技术M桂林：电子工业出版社，2004.4 汪建宇电类专业英语M北京：机械工业出版社，2005.5 杨志亮Protel 99 SE原理图设计M西安：工业大学出版社，2002.6 美divid Comer，Douald Comer电子电路线路M西安：电子科技大学出版社，2004.7 方建中高频电子实验M.浙江大学出版社，2001，1 .8 张庆双电子元件的选用与检测M.机械工业出版社，2002，8.