模电音频功率放大器课程设计

课程设计报告

学生姓名:张浩学学号：201130903013

7

学

院:电气工程学院

班

级: 电自1116(实验111）

题

目: 模电音频功率放大电路设计

指导教师：张光烈职称: 2013 年 7月 4 日

1、设计题目：音频功率放大电路

2、设计任务目的与要求：

要求：设计并制作用晶体管和集成运算放大器组成的音频功率放大电路，负载为扬声器，阻抗8。

指标：频带宽50HZ～20kHZ，输出波形基本不失真；电路输出功率大于8W；输入灵敏度为100mV，输入阻抗不低于47KΩ。

模电这门课程主要讲了二极管，三极管，几种放大电路，信号运算与处理电路，正弦信号产生电路，直流稳压电源。功率放大器的作用是给音响放大器的负载RL（扬声器）提供一定的输出频率。当负载一定时，希望输出的功率尽可能大，输出的信号的非线性失真尽可能小，效率尽可能高。功率放大器的常见电路形式有OTL电路和OCL电路。有用继承运算放大器和晶体管组成的功率放大器，也有专集成电路功率放大器。本实验设计的是一个OTL功率放大器，该放大器采用复合管无输出耦合电容，并采用单电源供电。主要涉及了放大器的偏置电路克服交越失真，复合管的基本组合提高电路功率，交直流反馈电路，对称电路，并用multism软件对OTL 功率放大器进行仿真实现。根据电路图和给定的原件参数，使用multism 软件模拟电路，并对其进行静态分析，动态分析，显示波形图，计算数据等操作。

3、整体电路设计：

⑴方案比较：

①利用运放芯片 LM1875和各元器件组成音频功率放大电路，有保护电路，电源分别接+30v和-30v并且电源功率至少要50w，输出功率30w。

②利用运放芯片TDA2030和各元器件组成音频功率放大电路，有保护电路，电源只需接+19v，另一端接地，负载是阻抗为8Ω的扬声器，输出功率大于8w。

通过比较，方案①的输出功率有30w，但其输入要求比较苛刻，添加了实验难度。而方案②的要求不高，并能满足设计要求，所以选取方案②来进行设计。

⑵整体电路框图：

⑶单元电路设计及元器件选择： ①单元电路设计：

功率放大器按输出级静态工作点的位置可分为甲类、乙类和甲乙类三种；若按照输出级与负载的耦合方式，甲乙类又可分为电容耦合 （OTL 耦合）、直接耦合（OCL 电路）和变压器耦合三种。变压器耦合容易实现阻抗匹配，但体积大， 较笨重。又OCL 电路电源输入要求较高，所以采用OTL 电路。采用单电源的OTL 电路不需要变压器中间抽头，但需要在输出端接上大电容，且低频特性不如OCL 好。根据“虚短”、“虚断”的原理，利用电阻的比值，可求得电路所需的放大倍数，其中可加入一个电位器替代反馈电阻，这样就能够实现电路放大倍数的调整。因为功率放大电路是追求在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率，可以采取OTL 电路来实现。为了提高转换功率，我们要对电路进行改善，这主要围绕功率放大电路频率响应的改善和消除非线性失真来改进电路，因此要用到若干个电阻电容来保护电路。OTL 电路会产生交越失真，为了消除这种失真，应当设置合适的静态工作点，使电路中的两只放大管均工作在临界导通或微导通的状态，这可以通过加入两个二极管来实现，因为二极管具有单向导电性。或者将两个有一定对称性的NPN 和PNP 三极管的基极分别和TDA2030的两个电源输入端相连。最后在输出端，还要加一个大电容来保证电路的低频性良好。在接有感性负载扬声器时还要加入一个电阻和一个电容来减少电路的自激振荡，确保高频稳定性。

②元器件选择：

如下面的系统原理图所示，C2为输入耦合电容，应选取较小的电解电容；R1、R ２、R3和C7的作用是组成运放TDA2030的输入偏置电路，取R1=R2=R3，可计算得TDA2030正向输入端的电压为0.5VCC ，而电容C7的作用是可以稳定这个电位。另外，R3是为了防止输入信号被C7短接到地而设的。C6是高频退耦电容，应选用较小的陶瓷电容或独石电容；C3是滤波电容，应选用较大的电解电容。C4、R4、和R11构成交流负反馈，控制交流增益，对于音频信号，可以近似地认为C4短路，所以功放的增益为1<<1+R11（有效部分）/R4<<1+100/3.3=31.3。对于直流信号，可认为C4断路，所有输出信号反馈到反向输入端，所以直流增益为1。取R6=R8和C8可起着保证TIP31和TIP32的基极电压相等，从而减少了推挽电路的交越失真。而R7和C5可以滤除TDA2030输出的高频信号。二极管D1、D2保护运放免受扬声器的感应电压而造成损害。电容C1是输出耦合电容，能够改善电路的低频特性，要用容值较大的电解电容。C9和R10能对扬声器的相位进行补偿，能够较少电路的自激振荡，确保高频稳定性。运放TDA2030内含各种保护电路，需要外接元件非常少，且电路的频带宽较宽，并能在最低±6V 最高

±22V 的电压下工作。另外，它输出功率较大，在±19V、8Ω阻抗时能够输出16W 的有效功率，THD≤0.1%，所以选用TDA2030能够实现电路的要求。而TIP31C 和TIP32C 是一对互补性较好的NPN 和PNP 三极管，集电极和发射极之间所承受的电压也可以高达100V ，集电极的电流为3A 左右，每只管的功耗也只有40W 左右而已，所以用它们来搭建OTL 电路比较合适。

实验原理

用高通滤波器和低通滤波器将信号分成高频，低频两个部分，进入不同的电路中。选用有源二阶滤波器电路调节高低音。在此基础上通过调节滑动变阻器阻值，改变电路增益，来达到达到高低音调节的目的。

为了降低电源电压要求，选用OTL 电路。为了消除交越失真，在两个互补对称管基极之间连接一个二极管和变阻器，以提供偏置电压。由于OTL 电路是电流放大电路，因此需在前面加上一个前置放大，用于电压放大，以带动OTL 电路。稳定两个互补对称管射极电压在左右，使电路能够正常工作。

电路结构及设计电路图

电路结构图如下：

设计电路如下：