高保真音頻功率放大器課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告</p><p>　　設(shè)計(jì)題目：高保真音頻功率放大器的仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　一 要求及思路1.1 題目：高保真音頻功率放大器的仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)：根據(jù)技術(shù)指標(biāo)和已知條件，選擇合適的功放電路，如：OCL、OTL或 BTL 電路， 完成對高保真音頻功率放大器的設(shè)計(jì)、調(diào)試與裝配。鼓勵(lì)自制穩(wěn)壓電源。1.3 設(shè)計(jì)要求：

2、① 輸出功率10W/8Ω；頻率響應(yīng)20~20KHz；效率>60﹪；失真小。 ② 選擇電路方案，完成對確定方案電路的設(shè)計(jì)。 ③ 利用Proteus或Multisim仿真設(shè)計(jì)電路原理圖，確定電路元件參數(shù)、掌握電路工作原理并仿真實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

3、 ④ 安裝調(diào)試并按規(guī)范要求格式完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告 ⑤ 選做：利用仿真軟件的PCB設(shè)計(jì)功能進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)。</p><p>　　1.4 設(shè)計(jì)思路： </p

4、><p>　　1.4.1 功放電路，我們決定在 OCL、OTL 和 BTL 電路中選擇其一進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p><p>　　圖表1 OTL電路 圖表2 OCL 電路OTL(Output Transformer Less)電路： 稱為無輸出變壓器功放電路。是一種輸出級(jí)與揚(yáng)聲器之間采用電容耦合而無輸 出變壓器的功放電路，它是高保真功率放大器的基本電路之一，但輸出端的耦 合電容對頻響也有

5、一定影響。 OTL 電路的主要特點(diǎn)有： 采用單電源供電方式，輸出端直流電位為電源電壓的一半；輸出端與負(fù)載之間 采用大容量電容耦合，揚(yáng)聲器一端接地，具有恒壓輸出特性，允許揚(yáng)聲器阻抗 在 4Ω、8Ω、16Ω 之中選擇，最大輸出電壓的振幅為電源電壓的一半，即 1/2 V CC，額定輸出功率約為 1/(8RL)。</p><p>　　OCL(Output Capacitor Less)電路：稱為無輸出電容功放電路，是在

6、OTL 電路的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。 OCL 電路的主要特點(diǎn)有： 采用雙電源供電方式，輸出端直流電位為零；由于沒有輸出電容，低頻特性很好；揚(yáng)聲器一端接地，一端直接與放大器輸出端連接，因此須設(shè)置保護(hù)電路； 具有恒壓輸出特性；允許選擇 4Ω、8Ω 或 16Ω 負(fù)載；最大輸出電壓振幅為正負(fù)電源值，額定輸出功率約為1 /(2RL)。需要指出，若正負(fù)電源值取 OTL 電路單 電源值的一半，則兩種電路的額定輸出功率相同，都是1 /(8RL)。</

7、p><p>　　BTL（Balanced Transformer Less）電路： 稱為平衡橋式功放電路。它由兩組對稱的 OTL 或 OCL 電路組成，揚(yáng)聲器接在兩組 OTL 或 OCL 電路輸出端之間，即揚(yáng)聲器兩端都不接地。 BTL 電路的主要特點(diǎn)有： 可采用單電源供電，兩個(gè)輸出端直流電位相等， 無直流電流通過揚(yáng)聲器，與 OTL、 OCL 電路相比，在相同電源電壓、相同負(fù)載情況 下，BTL 電路輸出電壓可增大一倍，

8、輸出功率可 增大四倍，這意味著在較低的電源電壓時(shí)也可 獲得較大的輸功 率，但是，揚(yáng)聲器沒有接地端，給檢修工作帶來不便。 經(jīng)過篩選，為了得到更大的電壓增益放大，以及更大的功率放大，我們決定選擇 BTL 電 路圖。 </p><p>　　1.4.2 芯片選擇。 </p><p>　　我選取的芯片為 TDA2030A 芯片. TDA 2030 是一塊性能十分優(yōu)良的功率放大集成電路，其主要特 點(diǎn)是

9、上升速率高、 瞬態(tài)互調(diào)失真小， 在目前流行的數(shù)十種功率放大 集成電路中， 規(guī)定瞬態(tài)互調(diào)失真指標(biāo)的僅有包括 TDA 2030 在內(nèi)的 幾種。我們知道，瞬態(tài)互調(diào)失真是決定放大器品質(zhì)的重要因素，該 集成功放的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。 TDA2030 集成電路的另一特點(diǎn)是輸出功率大，而保護(hù)性能以較完 善。根據(jù)掌握的資料，在各國生產(chǎn)的單片集成電路中，輸出功率最大的不過 20W，而 TDA 2030 的輸出功率卻能達(dá) 18W，若使用 兩塊電路組成 BTL 電

10、路，輸出功率可增至 35W。另一方面，大功率集成塊由于所用電源電壓高、輸出電流大，在使用中稍有不慎 往往致使損壞。然而在 TDA 2030 集成電路中，設(shè)計(jì)了較為完善的 保護(hù)電路，一旦輸出電流過大或管殼過熱，集成塊能自動(dòng)地減流 或截止，使自己得到保護(hù)（當(dāng)然這保護(hù)是有條件的，我們決不能 因?yàn)橛斜Ｗo(hù)功能而不適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行使用） 。 TDA2030 集成電路的第三個(gè)特點(diǎn)是外圍電路簡單，使用方便。在 現(xiàn)有的各種功率集成電路中，它的管腳屬于最少的一類

11、，總共才</p><p>　　二 仿真軟件介紹2.1 仿真軟件概況Proteus軟件是英國Lab center electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的科技工

12、作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并

13、持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。 </p><p>　　豐富的器件庫：超過27000種元器件，可方便地創(chuàng)建新元件；</p><p>　　智能的器件搜索：通過模糊搜索可以快速定位所需要的器件；</p><p>　　智能化的連線功能

14、：自動(dòng)連線功能使連接導(dǎo)線簡單快捷，大大縮短繪圖時(shí)間；</p><p>　　支持總線結(jié)構(gòu)：使用總線器件和總線布線使電路設(shè)計(jì)簡明清晰；</p><p>　　可輸出高質(zhì)量圖紙：通過個(gè)性化設(shè)置，可以生成印刷質(zhì)量的BMP圖紙，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多種文檔使用。</p><p><b>　　完善的電路仿真功能</b></p&g

15、t;<p>　　ProSPICE混合仿真：基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPICE3F5，實(shí)現(xiàn)數(shù)字/模擬電路的混合仿真；</p><p>　　超過27000個(gè)仿真器件：可以通過內(nèi)部原型或使用廠家的SPICE文件自行設(shè)計(jì)仿真器件，Labcenter也在不斷地發(fā)布新的仿真器件，還可導(dǎo)入第三方發(fā)布的仿真器件；</p><p>　　多樣的激勵(lì)源：包括直流、正弦、脈沖、分段線性脈沖、音頻（使用wav文件

16、）、指數(shù)信號(hào)、單頻FM、數(shù)字時(shí)鐘和碼流，還支持文件形式的信號(hào)輸入；</p><p>　　豐富的虛擬儀器：13種虛擬儀器，面板操作逼真，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器、直流電壓/電流表、交流電壓/電流表、數(shù)字圖案發(fā)生器、頻率計(jì)/計(jì)數(shù)器、邏輯探頭、虛擬終端、SPI調(diào)試器、I2C調(diào)試器等；</p><p>　　生動(dòng)的仿真顯示：用色點(diǎn)顯示引腳的數(shù)字電平，導(dǎo)線以不同顏色表示其對地電壓大小，結(jié)合動(dòng)態(tài)

17、器件（如電機(jī)、顯示器件、按鈕）的使用可以使仿真更加直觀、生動(dòng)；</p><p>　　高級(jí)圖形仿真功能（ASF）：基于圖標(biāo)的分析可以精確分析電路的多項(xiàng)指標(biāo)，包括工作點(diǎn)、瞬態(tài)特性、頻率特性、傳輸特性、噪聲、失真、傅立葉頻譜分析等，還可以進(jìn)行一致性分析；</p><p><b>　　單片機(jī)協(xié)同仿真功能</b></p><p>　　支持主流的CPU類型

18、：如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、BasicStamp、8086、MSP430等，CPU類型隨著版本升級(jí)還在繼續(xù)增加，如即將支持CORTEX、DSP處理器；</p><p>　　支持通用外設(shè)模型：如字符LCD模塊、圖形LCD模塊、LED點(diǎn)陣、LED七段顯示模塊、鍵盤/按鍵、直流/步進(jìn)/伺服電機(jī)、RS232虛擬終端、電子溫度計(jì)等等，

19、其COMPIM（COM口物理接口模型）還可以使仿真電路通過PC機(jī)串口和外部電路實(shí)現(xiàn)雙向異步串行通信；</p><p>　　實(shí)時(shí)仿真：支持UART/USART/EUSARTs仿真、中斷仿真、SPI/I2C仿真、MSSP仿真、PSP仿真、RTC仿真、ADC仿真、CCP/ECCP仿真；</p><p>　　編譯及調(diào)試：支持單片機(jī)匯編語言的編輯/編譯/源碼級(jí)仿真，內(nèi)帶8051、AVR、PIC的匯編

20、編譯器，也可以與第三方集成編譯環(huán)境（如IAR、Keil和Hitech）結(jié)合，進(jìn)行高級(jí)語言的源碼級(jí)仿真和調(diào)試；</p><p>　　實(shí)用的PCB設(shè)計(jì)平臺(tái)</p><p>　　原理圖到PCB的快速通道： 原理圖設(shè)計(jì)完成后，一鍵便可進(jìn)入ARES的PCB設(shè)計(jì)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)；</p><p>　　先進(jìn)的自動(dòng)布局/布線功能：支持器件的自動(dòng)/人工布局；

21、支持無網(wǎng)格自動(dòng)布線或人工布線；支持引腳交換/門交換功能使PCB設(shè)計(jì)更為合理；</p><p>　　完整的PCB設(shè)計(jì)功能：最多可設(shè)計(jì)16個(gè)銅箔層，2個(gè)絲印層，4個(gè)機(jī)械層（含板邊），靈活的布線策略供用戶設(shè)置，自動(dòng)設(shè)計(jì)規(guī)則檢查，3D 可視化預(yù)覽；</p><p>　　多種輸出格式的支持：可以輸出多種格式文件，包括Gerber文件的導(dǎo)入或?qū)С?，便利與其它PCB設(shè)計(jì)工具的互轉(zhuǎn)（如protel）和PC

22、B板的設(shè)計(jì)和加工。</p><p><b>　　資源豐富</b></p><p>　　1．Proteus可提供的仿真元器件資源：仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件，有30多個(gè)元件庫。</p><p>　　2．Proteus可提供的仿真儀表資源 ：示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、SPI調(diào)試器、I2C調(diào)試器、信號(hào)發(fā)生器、模式發(fā)生器、交直流電壓表

23、、交直流電流表。理論上同一種儀器可以在一個(gè)電路中隨意的調(diào)用。</p><p>　　3．除了現(xiàn)實(shí)存在的儀器外，Proteus還提供了一個(gè)圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號(hào)，以圖形的方式實(shí)時(shí)地顯示出來，其作用與示波器相似，但功能更多。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數(shù)指標(biāo)，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗。這些都盡可能減少了儀器對測量結(jié)果的影響。</p><p>　　4．Proteus可提供的

24、調(diào)試手段 Proteus提供了比較豐富的測試信號(hào)用于電路的測試。這些測試信號(hào)包括模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。</p><p><b>　　電路仿真</b></p><p>　　PROTEUS 是單片機(jī)課堂教學(xué)的先進(jìn)助手。</p><p>　　PROTEUS不僅可將許多單片機(jī)實(shí)例功能形象化，也可將許多單片機(jī)實(shí)例運(yùn)行過程形象化。前者可在相當(dāng)程度上得到實(shí)物演

25、示實(shí)驗(yàn)的效果，后者則是實(shí)物演示實(shí)驗(yàn)難以達(dá)到的效果。它的元器件、連接線路等卻和傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)硬件高度對應(yīng)。這在相當(dāng)程度上替代了傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的功能，例：元器件選擇、電路連接、電路檢測、電路修改、軟件調(diào)試、運(yùn)行結(jié)果等。</p><p>　　課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)生走向就業(yè)的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)。由于PROTEUS提供了實(shí)驗(yàn)室無法相比的大量的元器件庫，提供了修改電路設(shè)計(jì)的靈活性、提供了實(shí)驗(yàn)室在數(shù)量、質(zhì)量上難以相比的虛擬

26、儀器、儀表，因而也提供了培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐精神、創(chuàng)造精神的平臺(tái)</p><p>　　隨著科技的發(fā)展，“計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)”已成為許多設(shè)計(jì)部門重要的前期設(shè)計(jì)手段。它具有設(shè)計(jì)靈活，結(jié)果、過程的統(tǒng)一的特點(diǎn)?？墒乖O(shè)計(jì)時(shí)間大為縮短、耗資大為減少，也可降低工程制造的風(fēng)險(xiǎn)。相信在單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用中PROTEUS也能茯得愈來愈廣泛的應(yīng)用。實(shí)踐證明，在使用 Proteus 進(jìn)行系統(tǒng)仿真開發(fā)成功之后再進(jìn)行實(shí)際制作，能極大提高單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率。

27、因此，Proteus 有較高的推廣利用價(jià)值。</p><p>　　2.3 仿真軟件版本Proteus 7.9</p><p>　　三 電路原理圖 </p><p>　　3.1 工作原理論述</p><p>　　工作原理: 用兩塊

28、 TDA2030 組成如圖 1 所示的 BTL 功放電路， TDA 2030（1）為同相放大器，輸入信號(hào) Vin 通過交流耦合電容 C1 饋入同相輸 入端①腳，交流閉環(huán)增益為 KVC①＝1＋R3 / R2≈R3 / R2≈30dB。R3 同時(shí)又使電路構(gòu)成直流全閉環(huán)組態(tài)，確保電路直流工作點(diǎn)穩(wěn)定。 TDA2030（2）為反相放大器，它的輸入信號(hào)是由 TDA 2030（1）輸出端的 U01 經(jīng) R5、R7 分壓器衰減后取得的，并經(jīng)電容 C6

29、 后饋給反相輸入端②腳，它的交流閉環(huán) 增益 KVC②＝R9 / R7//R5≈R9/R7≈30dB。 由 R9＝R5，所以 TDA 2030（1）與 TDA 2030（2）的兩個(gè)輸出信號(hào) U01 和 U02 應(yīng) 該是幅度相等相位相反的， 即： U01≈Uin·R3 / R2</p><p>　　U02≈－U01·R9 / R5 </p><p><b>　　∵

30、 R9＝R5 </b></p><p>　　∴ U02 ＝－U01 </p><p>　　因此在揚(yáng)聲器上得到的交流電壓為：</p><p>　　︱UY︱=UO1-(-UO2)=2UO1</p><p>　　揚(yáng)聲器得到的功率為：PY=UY2／RL=(2U01)2/RL=4(UO1)2/RL</p><p>　

31、　3.2 理論分析R11為變阻器，用來控制揚(yáng)聲器上的端電壓。 C1 起到隔直傳交的作用。 C3，C3 和 C2，C6 分別是用來作為退耦電容。 C8,R8 和 C9,R9 是作為消除喇叭網(wǎng)絡(luò)和 TDA 網(wǎng)絡(luò)之間的影響的。 R3,R4,C4 和 R5,R6,C5 是分別為 TDA2030A（1） （2）的反饋網(wǎng)絡(luò)。 R1，R2 是起到對稱作用。</p><p>　　四 仿真部分下圖為接入交流電源后的測試圖形，

32、偏置電源用±12 伏。</p><p>　　4.1 仿真曲線分析第一次：輸入電壓時(shí) 1V 的交流電，1KHZ。失真嚴(yán)重。分析為輸入電壓太大。于是繼續(xù)調(diào)節(jié)，不斷減小電壓值，當(dāng)輸入電壓為 0.3V，1KHZ 時(shí)：輸出曲線不再失真，而功率值也達(dá)到了要求的 10W 值。于是確實(shí)輸入電壓。 從圖中也可以看出，輸入波形相對于輸出其峰值微不可見，可見放大倍數(shù)之大。下面是輸入 20HZ 交流電時(shí)的波形圖：&l

33、t;/p><p>　　下面是輸入 20KHZ 交流電時(shí)的波形圖：4.2 仿真分析結(jié)論從仿真可以看出，該電路圖的設(shè)計(jì)是成功的，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，輸入交流電壓為 0.3伏時(shí)，可以是功率最大達(dá)到 24W。5 實(shí)物5.1 元件清單：該電路的元件清單為： 極性電容：2.2UF X1 22UF X2 100UF X2 </p><p>　　無極性電容：0.1UF X2 0.22UF X2 &