高保真音频功率放大器设计XW
课程设计任务书
学生姓名： 专业班级：电子科学与技术1002班 指导教师： 吴皓莹 工作单位： 信息工程学院 题 目: 高保真音频功率放大器设计 初始条件：
可选元件：集成功放LA4100或LA4102；集成功放4430；集成功放TD2030；集成功放
TDA2004、2009；集成功放TA7240AP（集成功放的选择应满足技术指标）。电
容、电阻、电位器若干；或自备元器件。直流电源±12V，或自备电源。
可用仪器：示波器，万用表，毫伏表
要求完成的主要任务: （1）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电路。完成
对高保真音频功率放大器的设计、装配与调试。
（2）设计要求
① 输出功率10W/8Ω； 频率响应20~20KHz； 效率>60﹪； 失真小。
② 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出
总体电路原理图，阐述基本原理。（选做：用PSPICE或EWB软件完成仿真） ③ 安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。
时间安排：
1、 2011年12月31日分班集中，布置课程设计任务、选题；讲解课设具体实施计划与课
程设计报告格式的要求；课设答疑事项。
2、 2012年1月1日 至2012年1月4日完成资料查阅、设计、制作与调试；2012年1
月4日至2012年1月5日完成课程设计报告撰写。
3、 2011 年1月6日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。
指导教师签名： 年 月 日
系主任（或责任教师）签名： 年 月 日
1设计课题 ................................................................ 3 2功放简介 ................................................................ 4 3设计思路与方案 .......................................................... 5
3.1设计思路 .......................................................... 5 3.2设计方案 .......................................................... 5 4功放电路元件 ............................................................ 6
4.1 元件选取 .......................................................... 6 5安装与调试 .............................................................. 7 6性能数据测试 ............................................................ 8
6.1数据计算 ......................................................... 8 6.2输出电压波形图及功率表 ............................................. 9 6.3频率范围测试 ....................................................... 9 7归纳总结 ............................................................... 10 8心得与体会 ............................................................. 11 参考文献 ................................................................. 12 附录一 ................................................................... 13 附录二 ................................................................... 14 附录三 ................................................................... 15
目录
1设计课题
高保真音频功率放大器，完成对功率放大器的设计、装配与调试。
设计内容及要求
① 输出功率10W/8Ω； 频率响应20~20KHz； 效率>60﹪； 失真小。
② 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。
③ 安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。
2功放简介
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，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。
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。经过不断的电流放大，就完成了功率放大。
选择功率放大器的时候，首先要注意它的一些技术指标：1、输入阻抗：通常表示功率放大器的抗干扰能力的大小，一般会在5000-15000Ω，数值越大表示抗干扰能力越强；2、失真度：指输出信号同输入信号相比的失真程度，数值越小质量越好，一般在0.05％以下；3、信噪比：是指输出信号当中音乐信号和噪音信号之间的比例，数值越大代表声音越干净。
功放电路的输出功率Po，转换效率η和非线性失真等性能都和电路中放大管的偏置条件和工作状态有关。根据放大电路静态工作点在交流负载线上所处的位置的不同，可将放大管的工作状态分为甲类、乙类、甲乙类和丙类四种。其中丙类工作状态的输出功率和效率最高，但丙类放大器的电流波形失真太大，因而不能用于低频功率放大，只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于谐振回路具有滤波能力，回路电流与电压类似于正弦波形，失真很小。而低频功率放大电路就是包含甲类、乙类和甲乙类的工作方式的功率放大电路。
3设计思路与方案
3.1设计思路
通过功率放大电路这一章学习，我了解到了功率放大器的类型，各类功放的工作原理、参数计算及其功放电路的与元件选择，还有各类功放电路的分析方法，依据这些知识我设计了如下方案的OCL音频功率放大电路。
图1 电路的原理框图
3.2设计方案
3.2.1电源
电源要求为±12V，使用实验室的可调直流稳压电源,如图2所示。
图2 ±12V直流稳压电源
3.2.2 TDA2030的OCL电路
图3为TDA2030的OCL电路，其中TDA2030是高保真集成放大器芯片，其功率为10W以上，功率频率响应为20—20KHz，输出电流峰值最大可达3.5A,原理图：
图3 TDA2030的OCL电路
4功放电路元件
4.1元件选取
4.1.1端电容的选取
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（电解电容100uF）电容和一个小电容（陶瓷电容0.1uF）大电容虑低频，小电容滤高频，可有效的滤掉电源的纹波。
4.1.2端电阻电容的计算
同相输入端的电阻R1是用在直流平衡电阻，一般取数十千欧，跟负载反馈的网络有关，这里取R1=22KΩ。C3为耦合电容，用以去掉音频信号中的低频信号，与R1构成高
通低频响应。
有公式 C=1/(2*∏*R*f) 可知当R=22KΩ，f 取20Hz时，C=0.36uF 为了更好的滤波这里取C=1 uF.
4.1.3阻电容的计算
输出电压由电阻人R4、R2、C4决定，其增益由下式决定：
Vo/Vi=R2/(R4+1/jwC4)*[R1/(R1+1/jwC3)]
f 取20Hz时，R2=22 KΩ，R4=680Ω，C4=22uF, R1=22 KΩ,C3=1uF,可得增益为27.
4.1.4输出电容电阻的选取
负载喇叭其实是一种电能转换成声音的一种转换设备，当不同的电子能量传至线圈时，线圈产生一种能量与磁铁的磁场互动，这种互动造成纸盘振动，因为电子能量随时变化，喇叭的线圈会往前或往后运动，因此喇叭的纸盘就会跟着运动，这此动作使空气的疏密程度产生变化而产生声音。由于输出接的是喇叭，为感性，为防止其发生自己振荡，同时更好的滤波，保证输出信号更好，在输出端接上一个电容（陶瓷电容0.22 uF）和一个电阻(1Ω)串联接地。
4.1.5两个二极管的作用
两个二极管起的是过流保护的作用，可在电流过大的时候保护电路，防止元器件由于电流过大而被烧毁。
5安装与调试
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，可依次按照各脚顺序焊在电路板上。按照该OCL电路图和布线过后的电路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，再仔细检查几遍，确保器件连接正确后，方可通电测试，调试电路如图4所示。 1．测量输出电压放大倍数Au
测试条件：直流电源电压12v，输入信号1KHｚ Vi峰峰值600 mv，输出负载电阻为8Ω。 2．测量频率在20Hz-20 KHz范围内，输出电压是否会失真
测试条件：直流电源电压12v，输入信号Vi峰峰值50mv，改变输入信号频率，负载电
阻为8Ω。
在焊接过程中没有什么问题，但是当进行测试时发现输出不对，后通过万用表测量，发现电路一处短路，可能是焊接时不小心焊接在一起了，后来将其分开，才测出正确波形。 下图为调试电路
图4 调试电路图
6性能测试数据
6.1数据计算
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。测试取输入信号频率f=1khz ，Vi峰峰值600mV，RL=8Ω/10W，经测量和计算的如下参数：
1输出电压（有效值）U0=18/2/1.4=6.4V ○
2U0
2输出功率Po=○6.4*6.4/8=5.12W
RL
U
3电压放大倍AuO18/2/0.3=30 ○
Ui
4电源平均供给功率Pi2*12.0*9/∏/8≈
8.5W ○
5转换效率○
PO
≈5.12/8.5=60.2% Pi
6.2输出电压波形图
根据6.1节的条件，示波器上显示的输出电压的波形图如图5所示
图5 输出电压波形
6.3频率范围测试
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。当频率为20Hz时，用示波器观察输出波形未失真，当频率为20kHz时，用示波器观察输出波形未失真，在20Hz--20kHz取几个值，用示波器观察亦未失真。
20Hz 20kHz 1.072kHz
图6 不失真频率范围内的波形
7 归纳总结
从最终的波形来看，即图5，在f=1khz ，Vi峰峰值600mV的条件下测得的输出电压波形有一定失真，这是因为输入电压值稍微偏大，但最终的转换效率为60.2%，达到了要求。而且当输入信号Vi峰峰值为50mv时，从图6中就可以看出从频率为20Hz到频率为20kHz的范围内，波形都是不失真的，而且波形非常稳定。
8心得与体会
经过为期一周的模电课程设计的制作，不仅让我在动手能力方面得到了极大的锻炼，把平时学到的东西运用到实际中并制作出一个实物——功放，并得以投入使用，使其发出优美动听的立体音乐声，而且让我对课程设计的整个流程从之前的一无所知变成现在的一清二楚，了然于心，其间收获颇丰。在这个星期的前两天，我又将教科书上有关功率放大器的这一节复习了几遍，而且在网上搜集了大量有关功放的资料以及集成功放的基本应用电路，花费了一整天的时间将其中的原理搞通搞透，最终选择了集成功放TDA2030构成的OCL电路，在第三天完成了电路的焊接安装以及调试，虽然在调试的过程终于到了一点小麻烦，不过最终的效果还不错。对我而言，相对于作品的制作，课程设计报告的撰写显得更为困难，因为这次是第一次做课程设计，对课程设计报告的格式以及需要注意的事项完全没有一个系统的概念，因而为此忙得焦头烂额，经过两天的努力，最终完成了这份报告，自己还是比较满意的。这一个星期虽然很累，耗费了许多精力，但我的收获也非常丰富。由于又把功放这一章看了好多遍，现在它的原理以及公式已经烂熟于心，我掌握的更为熟练，除此之外，对我的动手能力方面也起到了很强的促进作用，而且当我做出一个功放的成品并在实验过程中使他发出优美动听的立体音乐声，心中是非常喜悦的，很有成就感。最重要的是，我对制作课程设计的流程已经心中有数，这将对以后的课程设计的制作以及毕业论文的撰写起到很大的帮助。起初我认为在一周的时间内我是无法完成任务的，但最终的事实证明人的潜力真的是无限的，有了促进就能完成。
整个过程并不是一帆风顺的，但就是这样我才学到了更多，感谢学校为我们提供的这次学习机会，对我们以后的专业学习会产生积极的影响。
参考文献
[1]吴友宇主编. 模拟电子技术基础.北京: 清华大学出版社，2009。
[2]电子技术基础.华中工学院电子学教研室编，康华光主编.高等教育出版社，2005。 [3]陈光梦编著.模拟电子学基础.复旦大学出版社，2005年3月。
[4]电子线路设计(第三版)，华中科技大学谢自美主编.华中科技大学出版社，2005。 [5] 吴文波.
高保真音响设计制作.北京: ,2000,3。 电子工业出版社
附录1 实物图
附录2 元件清单
附录3
本科生课程设计成绩评定表