音频功率放大器的设计毕业设计.doc
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1、信息职业技术学院毕业设计说明书(论文)设计(论文)题目: 音频功率放大器的设计 专 业: 应用电子技术 班 级: 应电08-2 学 号: 姓 名: 指导教师: 二一年十二月十日目录摘要1第1章绪论2第2章方案设计42.1 方案选择42.1.1 功放类型的选择42.1.2 实现电路的选择52.2 方案论证6第3章单元模块设计73.1 前置放大模块设计73.1.1 集成运放73.1.2 LM324简介73.1.3 输入放大电路83.1.4 音调控制电路93.2 音量控制模块113.3 功放模块123.3.1 TDA2030简介123.3.2 TDA2030应用电路133.3.3 级间耦合电容的选择
2、153.4 电源模块153.4.1 电源电路的系统结构153.4.2 电源电路16第4章电路仿真19第5章实物制作与调试215.1 印制电路板的制作215.2 元器件的安放顺序225.3 焊接225.3.1 焊接的工艺要求225.3.2 焊接的操作225.4 实物235.5 单元电路调试235.5.1 前置放大级的调试235.5.2 音调控制级的测试245.5.3 功放级的调试245.6 整机调试255.6.1 级联调试255.6.2 电压放大倍数的测量25总结27致谢28参考文献29附录1音频功率放大器电路原理图30附录2元件明细表31摘要在现代音频普及中,人们因生活层次、文化习俗、音乐修养
3、、欣赏口味的不同,对相同电气指标的音频设备得出不同的评价。所以,就高效率音频功率放大器而言,应该达到电气指标与实际听音指标的平衡与统一。音频放大器的发展已经有快要一个世纪的历史了,从最早的电子管放大器的第一个应用就是音频放大器。然而直到现在为止,它还在不断的更新、发展、前进。主要因为人类的听觉是各种感觉中的相当重要一种,也是最基本的一种。为了满足它的需要,有关的音频放大器就要不断的加以改进。音频功率放大器是音频系统中最重要的组成部分,它的作用是对各种音源设备送来的微弱音频信号进行放大,并进行控制、加工和处理,使其达到一定的功率,去推动扬声器音箱发出声音。而音频功率放大器一般由前置放大器、推动级
4、、功率输出级组成,也简称功放。在设计中采用了TDA2030功放芯片,使电路的可靠性提高。本文介绍了家用功放的基本结构及工作原理,设计了一款具有音调控制,适用于家用的简易音频放大器,并介绍了主要性能参数的测试方法。关键词 低音控制;高音控制;音频功率放大器第1章绪论音频放大器也叫功率放大器,其作用是把来自音源或前级放大器的弱信号放大,产生足够大的电流驱动扬声器发声。早在60年代以前,电子管功率放大器一直占着主导地位,其工作类别采用A类(甲类)或AB类(甲乙类),并由变压器与负载偶合。这一趋势,随着半导体技术的发展,可认为终止于真正可靠的半导体管达到了合理价格之时。随后,使用锗器件的设计首先出现,
5、但是锗管由于在一般的高温时容易损坏而严重地遭受着磨难,热逃逸这个词由此诞生。之后硅材料的NPN型半导体管出现,在一段时期里,绝大多数功率放大器采用此管用于功率放大级的推挽工作中,但仍依赖于输入和输出变压器进行偶合。显然,这些变压器往往是笨重而价高,线性不佳,再加上其低频和高频相移,严重地限制了可安全使用的负反馈量,从而增加了其伤害性。后来,人们已认识到在功率晶体管和8扬声器之间的阻抗匹配上,无需再用变压器了。于是出现了无变压器的Lin氏电路组合,从而构成了准互补输出级。因为当时已有相当不错的PNP激励管在市场上可售,而功率输出器件采用推挽电路可做成NPN型管,合适的互补功率器件,出现在60年代
6、后期。这时,全互补输出级立刻证明了它比准互补电路具有失真较小的优点。大约在同一时期由于晶体管差放对已成为人们熟悉的电路单元,直流偶合放大器开始超越电容耦合方式的交流放大器。根据现在人们消费和生活质量的提高,对音频功率放大器的要求也相对有了更高的基准,一个新型高效率音频功率放大器可以带来很高的效益,所以有很多的企业投入到了对高效率音频功率放大器的设计中。下面是一个有关D类放大器的高效率音频功率放大器。功放的主要性能指标有输出功率,频率响应,失真度,信噪比,输出阻抗,阻尼系数等。输出功率:是指输出失真度不超过规定值的条件下,功放对音乐信号的瞬间最大输出功率。峰值功率:是指在不失真条件下,将功放音量
7、调至最大时,功放所能输出的最大音乐功率。额定输出功率:当谐波失真度为10%时的平均输出功率。也称做最大有用功率。频率响应:表示功放的频率范围,和频率范围内的不均匀度。频响曲线的平直与否一般用分贝“dB”表示。家用HI-FI功放的频响一般为20HZ20KHZ正负1Db。这个范围越宽越好。失真度:理想的功放应该是把输入的信号放大后,毫无改变的忠实还原出来。但是由于各种原因经功放放大后的信号与输入信号相比较,往往产生了不同程度的畸变,这个畸变就是失真。用百分比表示,其数值越小越好。HI-FI功放的总失真在0.03%0.05%之间。功放的失真有谐波失真、互调失真、交叉失真、削波失真、瞬态失真、瞬态互调
8、失真等。信噪比:是指功放输出的各种噪声电平与信号电平之比,用“dB”表示,这个数值越大越好。一般家用HI-FI功放的信噪比在60dB以上。输出阻抗:对扬声器所呈现的等效内阻。第2章方案设计按信号处理方式分类,音频放大器可以分为模拟功放和数字功放。本设计提供了基于D类数字功放和模拟功放TDA2030实现的两种方案。2.1 方案选择2.1.1 功放类型的选择方案一:采用A类、B类、AB类功率放大器。这几种放大电路的共同特点是晶体管都工作在线性放大区中,它按输入音频信号的大小控制着输出信号,但自身也在消耗电能。A类功率放大器的特点是线性好、失真小且失真成分以偶次谐波为主,通常需要偏置电压才能工作,能
9、量转换效率很低,输出功率一般较小并且理论效率只有50%,所以不行。B类功率放大器虽然不需要偏置电压,靠信号本身来导通放大管,理论效率可达78.5%,但电路在小信号时失真严重。通常,在电路中略加一点偏置形成AB类功率放大器,虽然效率略有下降,但保真度高、小信号时失真减弱。方案二:采用D类功率放大器。D类功率放大器基本构成框图如2-1所示,它是用音频信号的幅度调制高频脉冲的宽度,功率输出管工作在高频开关状态,通过LC低通滤波器后输出音频信号。由于输出管工作在开关状态,故具有极高的效率(理论上为100%,实际电路可以达到80%95%),但D类功放也有不足之处,就是保真度低、输出音质较差,所以一般应用
10、于手持式设备(如手机、PDA等)。 图2-1 D类音频功率放大器基本构成图以上两个方案中,D类音频功放虽然具有效率高、体积小、输出功率大、低EMI、具备多种工作模式等特点,但保真度不及传统功放。传统的模拟音频功放保真度高,但效率低、能耗大,且要求有良好的散热设备。本设计选用第一种方案,以性价比较高、音质较好、价格较低、外围元件较少、应用较方便的集成功放TDA2030为核心设计相关硬件。2.1.2 实现电路的选择首先确定整机电路的级数,再根据各级的功能及技术指标要求分配电压增益,然后分别计算各级电路参数,通常从功放级开始向前逐级计算。基于模拟功放TDA2030的音频放大器如图2-2所示,主要由电
11、源模块、前置放大模块、音量控制模块及功率放大模块和扬声器组成。 音 频 信 号前 置 发 大 模 块音 量 控 制 模 块功 率 放 大 模 块扬 声 器电 源 模 块图2-2 基本组成框图各部分的基本功能如下:1.前置放大模块前置放大模块是把音频信号放大至功率放大器所能接受的输入范围。它具有两个功能:一是要选择所需要的音源信号,并放大到额定电平;二是要进行各种音质控制,以美化声音。其基本组成由音源选择、输入放大和音质控制等电路。2.音量控制模块音量控制模块是将前置放大后的信号通过电位器来控制TDA2030A芯片的输入信号的大小,用来控制整个音量的大小。3.功率放大模块给音频放大器的负载RL(
12、扬声器)提供一定的输出功率。当负载一定时,希望输出功率尽可能大,输出信号的非线性失真尽可能小,效率尽可能大。2.2 方案论证根据方案规划及任务指标设计基本组成框图,如图2-3所示。左音频输入前置放大模 块音量控制模块功率放大模 块右音频输入前置放大模 块音量控制模块功率放大模 块扬声器扬声器电 源 模 块图2-3 音频放大器的基本组成框图首先电源模块经整流滤波后,为前置放大器LM324和功率放大器TDA2030提供12V的双电源,将音频信号分别输入到左右输入端,信号经前置放大器对电压和电流进行放大,同时对信号进行高低音的提升或衰减控制,输出信号经音量控制电位器对功率放大器的输入信号进行大小调节
13、,最后信号经功率放大器输出后幅度为4V的音频信号,驱动扬声器工作。第3章单元模块设计3.1 前置放大模块设计前置放大模块基本组成是有输入放大和音质控制等电路。其作用一是要选择所需要的音源信号,并放大到额定电平;二是要进行各种音质控制,以美化声音。这里的前置电路是由集成运放和外围元件组成的。3.1.1 集成运放集成运放的应用十分广泛,包括模拟信号的产生、放大、滤波以及进行各种线性和非线性的处理。集成运放的种类很多,而且每块集成电路根据引脚的数量不同而集成的运放的个数不同,有单片集成电路集成四个运放的,如LM324、TLC27M4、UPC324C、LF347N、LM2902N等,也有单片集成电路集
14、成一个运放的,如UA741、UA709、LM301、LM308、TD07、LF356、OP07、OP37、MAX427等。集成运放可以用来组成对模拟量进行各种数学运算功能的电路,例如比例、加减、积分和微分、对数和指数、乘除等运算电路。由于放大电路只限于放大音频输入信号,且放大倍数也不高,因此采用单片集成电路集成四个运放的LM324较为合适。3.1.2 LM324简介LM324为四运放集成电路,采用14脚双列直插塑料封装,其引脚图和实物图如图3-1和引脚功能如表3-1所示。 a) 引脚图 b) 实物图图3-1 LM324的引脚图和实物图表3-1 LM324引脚功能表引脚功能引脚功能1输出18输出
15、32反向输入19反向输入33正向输入110正向输入34电源11接地5正向输入212正向输入46反向输入213反向输入47输出214输出4LM324内部有四个运算放大器,有相位补偿电路。电路功耗很小,LM324工作电压范围宽,可用正电源330V,或正负双电源1.5V15V工作。它的输入电压可低到地电位,而输出电压范围为OVcc。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互单独。每一组运算放大器可用如图所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。两个信号输入端中,Vi-(-)为反相输入端,表示运放
16、输出端Vo的信号与该输入端的相位相反;Vi+(+)为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM124、LM224和LM324引脚功能及内部电路完全一致。LM124是军品,LM224为工业品,而LM324为民品。由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽,静态功耗小,可单电源使用,价格低廉等特点,因此它被非常广泛的应用在各种电路中。3.1.3 输入放大电路1.电路原理图前置放大电路可以用晶体管也可采用集成运放来完成。本文中采用集成运放并采用双电源供电,电路原理图如图3-2所示。2.参数计算与元件选择放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻R12、R11决定:Av=- R11/R12
17、。负号表示输出信号与输入信号相位相反。按图3-2中所给数值,Av=-2。此电路输入电阻为R12。一般情况下先取R12与信号源内阻相等,然后根据要求的放大倍数再选定R11 。C16和C12为级间耦合电容。集成运放交流放大器只放大交流信号,输出信号受运放本身的失调影响较小,因此不需要调零。没有必要加接调零电路。图3-2 同相输入放大电路元件的选择:R12取10K,由Av=-R11/R12可知R11取100K,R13为平衡电阻,根据平衡电阻的概念,R13=R12/R11=1K的电阻,C16一般取几微法,本文中取4.7F/25V的电解电容。综上所述,四个前置放大器都用运放来完成,因此可用一个单片集成电
18、路集成四个运放的集成运放,这类型的常用四运放也很多,如UPC324C、TLC27M4、LF347N、LM324等,本文中就选取LM324作为前置放大器。3.1.4 音调控制电路负反馈式高低音调节的音调控制电路比较简单,图中只画出了一个声道的电路,如图3-3所示。不同电容量在低音、中音、高音时的容抗值如表3-1所示。所谓音调控制就是人为地改变信号里高、低频成分的比重,以满足听者的爱好、渲染某种气氛、达到某种效果或补偿扬声器系统及放音场所的音频不足。音调控制电路用以改变放大器的频率特性,补偿整个放音系统频率特性的偏差,也用来满足听从对音色的不同需要。音调处理电路的基础是各种形式的滤波器。正是这些滤
19、波器构成了音频电路中的音调控制器。音频器件中无论是简单的单调处理电路还是复杂的均衡器,均由各种有源或无源滤波器组成。利用这些滤波电路,可以组成各种高通、低通滤波器和带通滤波器,以抑制电路中不需要的频率并通过所选择的频率。音调控制电路用来对音频信号各频段内的信号进行提升或衰减,调节输入信号的低频、中频、高频成分的比例,改变前置放大器的频率特性,以补偿音频系统各环节的频率失真,或满足听者对音色的爱好和需求。图3-3 负反馈高低音调节的音调控制电路表3-1 不同电容量在低音、中音、高音时的容抗值音调频率F/(Hz)C21=0.015F时的XC1C30=1500pF时的XC2低音100Hz106K16
20、00K中音1kHz10.6K106K高音10kKHz1.06K10.6K音调控制是指调节反馈网络的频率特性,使它对音频信号的高、低频率成分产生不同程度的反馈或衰减网络的频率特性,从而达到改变电路频率响应特性之目的。常用的音调控制电路只有高音和低音频段两个控制电路,可以对高、低频成分进行提升或衰减的控制。1.低音控制电路的工作原理图中C21、C30的容量大于C24,对于低音信号C21与C30可视为开路,而对于高音信号C24可视为短路。低音调节时,当W1滑臂到左端时,C21被短路,C30对低音信号容抗很大,可视为开路;低音信号经过R23直接送入运放,输入量最大;而低音输出则经过R19、W1负反馈送
21、入运放,负反馈量最小,因而低音提升最大;当W1滑臂到右端时,则刚好与上述情形相反,因而低音衰减最大。不论W1的滑臂怎样滑动,因为C21、C30对高音信号可视为是短路的,所以此时对高音信号无任何影响。2.高音控制电路的工作原理高音调节时,当W2滑臂到左端时,因C24对高音信号可视为短路,高音信号经过W2、C24直接送入运放,输入量最大;而高音输出则经过W2、C24负反馈送入运放,负反馈量最小,因而高音提升最大;当W2滑臂到右端时,则刚好相反,因而高音衰减最大。不论W2的滑臂怎样滑动,因为C24对中低音信号可视为是开路的,所以此时对中低音信号无任何影响。3.2 音量控制模块 音量控制模块作用是控制
22、输入到功率放大器的信号幅度,常用的音量控制电路有分压式音量控制电路和电子音量控制电路两种。如图3-4所示。图中只画出了一个声道的分压式音量控制电路。图3-4 音量控制电路图3-4,W5是音量电位器,滑动端将W5分为前后(R1、R2)两部分,输入电压取前部分R2的电压。调节W5滑动端的位置即可改变输入电压的大小。W5滑动端滑到最下端时,R1=W5,Uo=0,音量为零。W5滑动端滑到最上端时,Ui=Uo,输入电压全部输入到功率放大器中,音量最大。3.3 功放模块功率放大器是音频系统中一个不可缺少的重要部分,其主要任务是将音频信号放大到足以推动外接负载如扬声器、音箱等。不同于前置放大器的功率放大器不
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