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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 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 目 录 摘 要 1 第 1 章 绪论 2 第 2 章 方案设计 4 2.1 方案选择 4 2.1.1 功放类型的选择 4 2.1.2 实现电路的选择 5 2.2 方案论证 6 第 3 章 单元模块设计 7 3.1 前置放大模块设计 7 3.1.1 集成运放 7 3.1.2 LM324 简介.7 3.1.3 输入放大电路 8 3.1.4 音调控制电路 9 3.2 音量控制
2、模块 .11 3.3 功放模块 .12 3.3.1 TDA2030 简介12 3.3.2 TDA2030 应用电路13 3.3.3 级间耦合电容的选择 .15 3.4 电源模块 .15 3.4.1 电源电路的系统结构 .15 3.4.2 电源电路 .16 第 4 章 电路仿真 .19 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) I 第 5 章 实物制作与调试 .21 5.1 印制电路板的制作 .21 5.2 元器件的安放顺序 .22 5.3 焊接 .22 5.3.1 焊接的工艺要求 .22 5.3.2 焊接的操作 .22 5.4 实物 .23 5.5 单元电路调试 .23 5.5.1 前置放大
3、级的调试 .23 5.5.2 音调控制级的测试 .24 5.5.3 功放级的调试 .24 5.6 整机调试 .25 5.6.1 级联调试 .25 5.6.2 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 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 0 页 共 32 页 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、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
4、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、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
5、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。 关键词关键词 低音控制；高音控制；音频功率放大器 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 1 页 共 32 页 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，但是锗管由于在一般的高温时容易
6、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 6
7、0 年代后期。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。 四川信
8、息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 2 页 共 32 页 峰值功率：是指在不失真条件下，将功放音量调至最大时，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
9、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。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 3 页 共 32 页 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
10、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
11、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 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 4 页 共 32 页 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
12、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
13、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。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 5 页 共 32 页 3.功率放大模块 给音频放大器的负载 RL(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，
14、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
15、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，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。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 6 页 共 32 页 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
16、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 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 7 页 共 32 页 表 3-1 LM324 引
