音頻功率放大器(課程設(shè)計報告)

1、<p><b>　　1 概述</b></p><p>　　在介紹音頻功率放大器的文章中，有時會看到“THD+N”，THD+N是英文Total Hormonic Distortion +Noise 的縮寫，譯成中文是“總諧波失真加噪聲”。它是音頻功率放大器的一個主要性能指標(biāo)，也是音頻功率放大器的額定輸出功率的一個條件。 THD+N性能指標(biāo) THD+N表示失真+噪聲

2、，因此THD+N自然越小越好。但這個指標(biāo)是在一定條件下測試的。同一個音頻功率放大器，若改變其條件，其THD+N的值會有很大的變動。 這里指的條件是，一定的工作電壓VCC(或VDD)、一定的負載電阻RL、一定的輸入頻率FIN（一般常用1KHZ）、一定的輸出功率Po下進行測試。若改變了其中的條件，其THD+N值是不同的。例如，某一音頻功率放大器，在VDD=3V、FIN=1kHz、RL=32Ω、Po=25mW條件下測試，其TDH+N

3、=0.003%，若將RL改成16歐，使Po增加到50mW，VDD及FIN不變，所測的TDH+N=0.005%。 一般說，輸出功率?。ㄈ鐜资甿W）的高質(zhì)量音頻功率放大器（如用于MP3播放機），它的THD+N指標(biāo)可達10-5，具</p><p><b>　　2 原理圖設(shè)計</b></p><p><b>　　2.1 方案選擇</b><

4、/p><p>　　本次模擬電子線路課程設(shè)計（即硬件設(shè)計）我做的是555定時電路設(shè)計，本著需要達到一定的性能指標(biāo)的前提下，同時又考慮到我們這是第一次動手操作焊接電路板，因而電路圖不能夠太復(fù)雜，我在網(wǎng)上搜索到如下兩種設(shè)計示例：</p><p>　　示例一中具體如圖一：</p><p>　　圖2.1 方案一原理圖</p><p>　　如上圖所示，該電路

5、運用到兩個運算放大器。上面一個LM4700是一個反相輸出負反饋放大電路。如我們的模擬電子線路中的知識知道：這樣的一個電路是為了穩(wěn)定輸出，防止飽和失真以及截止失真。同時，下面的一個LM4700是一個反相輸出正反饋功率放大電路，則由理論上來說，這里是對源信號的一個功率放大，以達到對聲音功率放大的結(jié)果。</p><p>　　如上圖所示，方案中也都是利用到了運算放大器的放大運算作用，其中利用到了大量的電阻和電容這樣對其中

6、的噪聲的過濾就會有很好的作用，但是與此同時，這樣的話，元件數(shù)太多，焊接的時候會相對比較麻煩。</p><p>　　但是從另外一個方面來說，由于該電路中的放大作用只是利用了運算放大器的運算放大作用，因此最后的性能效果不會很好，對于噪聲也沒有一定的濾出作用，基于上述分析，我決定放棄方案一。</p><p>　　如此，我就選擇了另外的一個方案，具體電路圖如下：</p><p&

7、gt;　　圖2.2 方案二原理圖</p><p>　　2.2 原理圖設(shè)計分析</p><p>　　我所選擇的電路圖中，基本上綜合了上面所淘汰的三個原理圖的特點，利用了TDA2030的反相輸出來穩(wěn)定輸出，同時正反饋中來進行放大，并且利用了二極管VD1、VD2來單向?qū)щ?，然后在輸出端口利用一個電阻和電容的并聯(lián)關(guān)系來選擇輸出。另外元件數(shù)目也不是很多，操作實際可行。</p><

8、p>　　D類音頻功率放大器是基于脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)的開關(guān)放大器,包括PWM調(diào)制器、功率H橋、三角波發(fā)生器和低通濾波器等。文章首先對D類音頻功率放大器與傳統(tǒng)的音頻功放進行了分析和比較,然后對D類音頻功率放大器的工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和兩種拓撲結(jié)構(gòu)進行了詳細的分析和研究,最后對具有低功耗、低失真、高效率等高性能D類音頻功放設(shè)計的難點和要點進行了研究,并提供了可行的解決方案,展望D類音頻功放的發(fā)展趨勢。</p><

9、;p>　　在總體網(wǎng)絡(luò)中，我使用的是橋式振蕩電路的原理電路，這個電路由兩部分構(gòu)成，即放大電路和選頻網(wǎng)絡(luò)電路。其中放大電路是有輸入阻抗高和輸出阻抗低的特點。而選頻網(wǎng)絡(luò)同時兼作正反饋網(wǎng)絡(luò)。四臂電橋中，對角線頂點接到放大電路的兩個輸入端，橋式振蕩電路的名稱由此得來。</p><p><b>　　圖2.3 網(wǎng)絡(luò)圖</b></p><p>　　圖2.3中所表示的RC串并聯(lián)選

10、頻網(wǎng)絡(luò)具有選頻作用，它的頻率響應(yīng)特征曲線具有明顯的峰值。</p><p><b>　　由圖2.3有：</b></p><p>　　反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)為</p><p>　　就實際的頻率而言，可用替換，則得</p><p><b>　　故當(dāng)，則上式變?yōu)?lt;/b></p><p>

11、　　幅頻響應(yīng)的幅值為最大，即</p><p>　　這就是說，當(dāng)時，輸出電壓的幅值最大（當(dāng)輸入電壓的幅值一定，而頻率可調(diào)時），并且輸出電壓是輸入電壓的，同時輸出電壓與輸入電壓同相。</p><p>　　在輸出端中放置一個電位器（滑動變阻器），以此來選擇信號的輸入大小，這樣就可以避免在電路中因為信號的過強而導(dǎo)致的飽和失真。因此在這里放置的一個滑動變阻器需要一個較大的阻值，以達到分壓的目的，所以

12、我們這里選擇一個最大值為10K的滑動變阻器。</p><p>　　在集成塊TDA2030中正負輸入端的兩個電阻R1、R2，則是作為一個分壓作用，以此對集成塊進行電壓信號的輸入，和反饋中的反饋網(wǎng)絡(luò)的一部分。這樣來進行工作。</p><p>　　在正負工作電壓旁接一個電容來抵消工作電流對于電路中的而影響，體現(xiàn)了電容“隔直流，通交流”的特點。這是由于它的阻抗是隨電壓頻率變化所致，如其阻抗變化為：

13、</p><p>　　可以看出，其阻抗與頻率成反比。</p><p>　　在R3構(gòu)成的負反饋網(wǎng)絡(luò)中，由于R3R2，故在這里是基本上的原樣輸出，沒有進行縮小，因為在輸入端口的那里，就已經(jīng)進行了分壓調(diào)試。</p><p>　　其中在集成塊運算放大電路TDA2030中，集成運算放大器內(nèi)電路由輸入級、中間級、輸出級和偏置電路四部分組成。并且輸入級為了減少零漂和抑制共模干擾信

14、號，要求溫漂小、共模抑制比高、有極高的輸入阻抗，一般采用高性能的恒流源差動放大電路。2．中間級：運算放大器的放大倍數(shù)主要是由中間級提供的，因此要求中間級有較高的電壓放大倍數(shù)，一般放大倍數(shù)可達幾萬倍甚至幾十萬倍以上。輸出級：輸出級應(yīng)具有較大的電壓輸出幅度較高的輸出功率與較低的輸出電阻的特點，大多采用復(fù)合管構(gòu)成的共集電路作為輸出級。偏置電路：一般由恒流源組成，用來為各級放大電路提供合適的偏置電流，使之具有合適的靜態(tài)工作點。它們一般也作為放大

15、器的有源負載和差動放大器的發(fā)射極電阻。</p><p>　　以上是我對電路進行一個定性的分析，下面我將對電路的具體參數(shù)來進行定量的分析，以此來達到我們所需要的最終結(jié)果：</p><p>　　首先我們是做的是音頻功率放大，則放大的倍數(shù)是我們所關(guān)心的，因而在R3與R4組成的負反饋的網(wǎng)絡(luò)中，放大倍數(shù)為：</p><p>　　通常這種音頻功率放大中，放大倍數(shù)為300-100

16、0倍左右，為了保證音頻的帶寬，我就選擇較小的300倍，同時結(jié)合市面上常見電阻的阻值，故定，。</p><p>　　本圖中還有兩個為了穩(wěn)壓的穩(wěn)壓二極管D1和D2，因它們在運算放大器的集成塊上進行工作，故要求其工作電壓在12V上下。這樣來確定他們最終是否能夠正常工作。</p><p>　　在信號輸入端口中，由一個為了隔離直流噪聲的電容C1。這個電容是工作在信號源旁，直接介入輸入端，因而需要一個

17、較高的擊穿電壓的電容，而且電容的取值不能太大，因而定為。</p><p>　　同樣，在電容中，在工作電壓V1和V2的旁邊分別有一個旁置電容，這兩個電容都是為了隔離直流電源的電流，為了增加它的效率，因而我的電容的容抗取值較小，都是。</p><p>　　在使用運算放大器中的時候，我時刻銘記運放的“虛短，虛斷”的兩大特點。在這個特點的基礎(chǔ)上來進行設(shè)計正反饋的功率放大和負反饋的保持輸出。負反饋在

18、前已經(jīng)說明，在此不再贅述。因此在這里具體介紹選頻網(wǎng)絡(luò)以及其構(gòu)成的正反饋的功率放大電路網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　首先它作為一個選頻網(wǎng)絡(luò)，可以知道它的振蕩頻率為：</p><p>　　我們的頻率要求是20Hz-20kHz，則我選擇了振蕩頻率為1kHz左右，再此，在這種電路板的焊接時不方便使用大電容，因此我就使用了1uf的電容，相應(yīng)地配備了的電阻。這樣在中頻1kHz的時候可以達到振蕩，成為峰值

19、，以得到較好的頻率特性曲線。</p><p>　　最后在輸出端并聯(lián)上一個電阻電容的串聯(lián)，其中電阻是為了保證輸出阻抗比較小，因而取值為，然后電容是為了隔離直流噪聲信號，所以不需要太大的容抗，選擇了。還可以防止在輸出端的自激振蕩，以造成意外結(jié)果。</p><p><b>　　2.3 調(diào)試</b></p><p>　　調(diào)試前，首先用干電池檢測喇叭保護

20、器靈敏度，合格后，接回電路。短接信號輸入端，將VR1、VR2旋到阻值最大處。接通12V前級電源，用數(shù)字萬用表監(jiān)視R14兩端電壓，用螺絲刀旋轉(zhuǎn)電位器，使其達到2V；再用數(shù)字表監(jiān)測圖中兩點電壓，調(diào)節(jié)使其電位為3V；然后接通后級50V電源，用數(shù)字表監(jiān)測最后對地電位，旋轉(zhuǎn)電位器監(jiān)測5W的電阻兩端，即其靜態(tài)電流約為360mA，工作于甲類狀態(tài)，煲機一個小時，再紅心調(diào)整一次。如果你的功能散熱器足夠大，靜態(tài)電流還可調(diào)大，但是不要讓散熱器溫度超過70攝氏

21、度。其中需要注意的地方，在調(diào)整到某一點時，電流突然增大或突然減小，即出現(xiàn)“雪崩”現(xiàn)象，這說明電路有自激，可對電容的容量進行調(diào)整，適當(dāng)增大該電容容量，但不要太大，以免影響音質(zhì)。</p><p>　　全部組裝完畢之后，將整機和你的所有音響設(shè)備用3kW專用音響交流穩(wěn)壓器穩(wěn)壓。拆除輸入端信號短接線，接上音源就可以了。</p><p>　　另外，在本電路圖的軟件仿真上，我使用的是Orcad Pspi

22、ce 10.5的版本，進行了放大模擬分析，以正弦波信號源代替了音源，以一個電阻代替了喇叭。則在其中進行時域分析，得到如圖所示：</p><p>　　圖2.5 仿真分析（時域）設(shè)置</p><p>　　圖2.6 仿真分析（時域）結(jié)果曲線</p><p>　　可以看出來，輸入是100mV（最大值）的電壓，經(jīng)過功率放大之后得到的是3.2-3.3V（最大值）的輸出電壓。30

23、0多倍的放大倍數(shù)可以滿足我們的需求，并且同時也滿足理論上的設(shè)計。</p><p>　　另外，我們還進行了頻域的分析。我們知道，人類耳朵的聽覺范圍是20Hz-20kHz，因而我們需要對其進行頻域的分析掃描，分析前的設(shè)置定頻率范圍是20Hz-20kHz，設(shè)置與結(jié)果如下：</p><p>　　圖2.7 頻域分析設(shè)置</p><p>　　圖2.8 頻域特性分析掃描結(jié)果曲線&

24、lt;/p><p>　　在上面的曲線圖中可以看出，該電路圖的頻率特性非常好，中間的峰值是30.4分貝，20Hz是28.9分貝，20kHz時是29.7分貝，其最大的分貝下降也不過是1.5分貝（=30.4-28.9）而已，完全滿足要求。另外設(shè)置的1kHz的峰值也是與理論完美結(jié)合。</p><p><b>　　3 展望</b></p><p>　　本電路

25、中，是因為我們第一次操作，因而避難就易，只是為了方便期間故選擇了一個期間數(shù)目較少的原理圖，因此在一些參數(shù)上可能取值沒有什么空間，只是處于勉強工作的地步，在這個電子制作中，可以改進的地方將會很多，來擴大它的參數(shù)范圍，以達到更好的要求。</p><p>　　另外，在我所使用的這種D類功率放大器在設(shè)計上必須要注意的包括過電流保護及過熱保護，此二保護電路為功率IC或功率放大器所必備，否則將造成安全問題，甚至傷及其所連接之

26、電源器件或整個系統(tǒng)。過電流保護或短路保護的簡單測試方式乃將任一輸出端與電源端(Vcc)或地端(Ground)短路，在此狀況下短路保護電路將被啟動而將輸出晶體管關(guān)掉，此時將沒有訊號驅(qū)動喇叭而沒有聲音輸出。</p><p>　　而這種保護的電路正是這個電路所缺少的，也是我們今后在學(xué)習(xí)和實踐總應(yīng)該加以關(guān)注的。只有通過我們的不斷學(xué)習(xí)和努力，我們的知識積累的足夠的豐富，我們才能夠在以后的具體時間中加以運用，才能夠體現(xiàn)出“知

27、識就是力量”，表現(xiàn)出當(dāng)代大學(xué)生的風(fēng)采。</p><p><b>　　4 心得體會</b></p><p>　　本學(xué)期我們開設(shè)了《電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）》課，這門學(xué)科屬于電子電路范疇，與我們的專業(yè)有著密切的聯(lián)系，且是理論方面的指示。正所謂“紙上談兵終覺淺，覺知此事要躬行。”學(xué)習(xí)任何知識，僅從理論上去求知，而不去實踐、探索是不夠的，所以在本學(xué)期暨電路剛學(xué)完之際，緊接著來

28、一次《模擬電子線路》課程設(shè)計是很及時、很必要的。這樣不僅能加深我們對電子電路的認識，而且還及時、真正的做到了學(xué)以致用。</p><p>　　生活就是這樣，汗水預(yù)示著結(jié)果也見證著收獲。勞動是人類生存生活永恒不變的話題。通過這次課程設(shè)計，我才真正領(lǐng)略到“艱苦奮斗”這一詞的真正含義，才真正意識到我們只有通過勤奮的努力，才能夠真正體會到科技帶給人類的幸福。</p><p>　　在整個電路課程設(shè)計過

29、程中，我們不斷地在遇到問題和解決問題之中盤旋。例如在硬件制作，電路板的焊接上慢慢元件連接起來的時候，手里握著電焊鐵，直冒青煙，心理還是很緊張的，但是看著自己的元件一個個連接了起來，自己的心里面像吃了蜜一樣的甜。終于就這樣，像愛迪生發(fā)明電燈泡的時候一樣，歷經(jīng)千萬次的猜想與實驗，終于使得這個問題得到了圓滿的解決。成功的我高興地?zé)o以復(fù)加，只是感覺到勞動最光榮，勞動人民最高尚。</p><p>　　歷時這一個星期的課程設(shè)

30、計即將在這次的答辯中畫上圓滿的句號?；仡^看看，不禁感慨眾多，沒有想到我們的科學(xué)家，哪怕是我們身邊的老師，原來也是如此這般的努力才能夠換來今天的幸福生活；離不開你們這些辛勤的工作者，我們的身邊這一切才能夠如此快捷方便；沒有了這一切，我不敢想象社會會如何發(fā)展，難道是倒退到那種封建社會，還是奴隸時代？并且通過了這次模擬電子電路課程設(shè)計，我才了解到我們所學(xué)的只是原來是如此地貼近我們，其實他們就在我們身邊，就在我們身邊或大或小的地方，甚至是我們不

31、能發(fā)現(xiàn)的地方，而并不是我原先所想象的那樣遙不可及，總是好像在那種大房子里面的大機器才會用到這些東西，感覺那些是科學(xué)家做的事情，對于我們來說是天方夜譚。而如今，我才知道了這一切。我才會，并有這樣的動力將我所學(xué)的知識來賦予實踐。</p><p><b>　　5 參考文獻</b></p><p>　　[1] 邱關(guān)源.電路原理（五版）.北京:高等教育出版社,2006</

32、p><p>　　[2] 曹丙霞.protel原理圖設(shè)計.北京:電子工業(yè)出版社,2007</p><p>　　[3] 周開利,鄧春暉.MATLAB基礎(chǔ)及應(yīng)用教程.北京:北京大學(xué)出版社，2007</p><p>　　[4] 張威.MATLAB6.0基礎(chǔ)與編程與入門。西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2007</p><p>　　[5] 張智星.MATLA

33、B程序設(shè)計與應(yīng)用。北京:清華大學(xué)出版社，2002 袁袇羄葿蚃螃羃薂衿肁羂芁螞羇羂莄袇袃肁蒆蝕蝿肀薈蒃肈聿羋蚈肄肈蒀蒁羀肇薃螇袆肆節(jié)蕿螂肆莄螅肀肅蕆薈羆膄蕿螃袂膃艿薆螈膂莁螁螄膁薃薄肅膀芃袀罿膀蒞蚃裊腿蒈袈螁膈薀蟻肀芇芀蒄羆芆莂蠆袁芅蒄蒂袇芄芄螇螃芄莆薀肂芃蒈螆羈節(jié)薁蕿襖芁芀螄螀莀莃薇聿荿蒅螂羅莈蚇薅羈莈莇袁袇羄葿蚃螃羃薂衿肁羂芁螞羇羂莄袇袃肁蒆蝕蝿肀薈蒃肈聿羋蚈肄肈蒀蒁羀肇薃螇袆肆節(jié)蕿螂肆莄螅肀肅蕆薈羆膄蕿螃袂膃艿薆螈膂莁螁

34、螄膁薃薄肅膀芃袀罿膀蒞蚃裊腿蒈袈螁膈薀蟻肀芇芀蒄羆芆莂蠆袁芅蒄蒂袇芄芄螇螃芄莆薀肂芃蒈螆羈節(jié)薁蕿襖芁芀螄螀莀莃薇聿荿蒅螂羅莈蚇薅羈莈莇袁袇羄葿蚃螃羃薂衿肁羂芁螞羇羂莄袇袃肁蒆蝕蝿肀薈蒃肈聿羋蚈肄肈蒀蒁羀肇薃螇袆肆節(jié)蕿螂肆莄螅肀肅蕆薈羆膄蕿螃袂膃艿薆螈膂莁螁螄膁薃薄肅膀芃袀罿膀蒞蚃裊腿蒈袈螁膈薀蟻肀芇芀蒄羆芆莂蠆袁芅蒄蒂袇芄芄螇螃芄莆薀肂芃蒈螆羈節(jié)薁蕿襖芁芀螄螀莀莃薇聿荿蒅螂羅莈蚇薅羈莈莇袁袇羄葿蚃螃羃薂衿肁羂芁螞羇羂莄袇袃肁蒆蝕蝿肀薈蒃