基于TDA2030A超低音功放电路的设计设计

摘要
功放，可以说是各类音响器材中最大的一个家族了，其作用主要是将音源器材输入的较微弱信号进行放大后，产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放。

特别的，TDA2030A功率放大电路所需的元件很少，制作简单，效果良好。

用它来做电脑有源音箱的功率放大部分或MP4等小型功放再合适不过。

本设计主要由电源部分、音调控制级、功率放大级三部分组成。

它的作用主要是放大音频信号。

为了保证功放效果，电路采用TDA2030A作为功放IC，因为它具有失真小、功率大、外围元件少、开机冲击极小、内含各种保护电路、保真度高等优点。

信号流程：音频信号输入经音量电位器，再由电容耦合，进入TDA2030A的1脚，由集成电路放大后从4脚输出，经输出耦合电容到达扬声器。

关键字：TDA2030A 功放电路放大音频信号
ABSTRACT
ABSTRACT
The power amplifier can be regarded as the biggest family among various types of audio equipments，the main function of which is to amplify the weak signal that audio equipment inputs, thus producing a large enough current to drive the sound reproduction of speakers.
In particular, the power amplification circuit of TDA2030A contains a small number of components and is easy to make，but has a good effect. It would be very suitable if it is used as the power amplifier of the active speaker of computer or the minitype amplifier of MP4.
This project mainly consists of three parts: the power source, the tone control level, and the power amplified level. It is mainly used to amplify the audio signal. In order to ensure the effect of power amplifier, the TDA2030A is used as the IC of power amplifier in the electric circuit, as it has a series of advantages: low distortion, big power, less peripheral elements, extremely small starting impact, containing various kinds of protection circuits, high fidelity, etc...
The signal flow: First, the audio signal is input by the volume potentiometer, and then coupled by capacitor. Second，after flowing into the line 1 of TDA2030A, it is amplified by the IC. Finally，the audio signal is output from line 4 and then reaches speaker through the coupling capacitor of output.
Keywords: TDA2030A The circuit of Power amplifying Amplification of audio signal
目录i
目录
第一章概述 (1)
1.1 系统开发背景及研究现状 (1)
1.2人们使用超低音的理由 (1)
1.3 课题的主要内容 (3)
第二章集成功放的设计 (5)
第三章设计任务内容及要求 (9)
3.1 设计目的 (9)
3.2设计任务及主要技术指标 (9)
3.3 工作原理分析 (9)
第四章方法设计与论证 (13)
4.1 方案一 TDA2030A的BTL电路 (14)
4.2 方案二TDA2030A的OCL电路 (15)
4.3 方案三 TDA2030A的OTL电路 (15)
4.4 系统电路设计 (16)
第五章单元电路设计 (23)
5.1 电源部分 (23)
5.2 功放部分 (23)
第六章安装与焊接及软件介绍 (27)
6.1 电路的安装与焊接 (27)
6.2 Protel 99se简介 (31)
第七章结束语 (33)
致谢 (35)
ii
目录
参考文献 (37)
附录A：硬件设计原理图 (39)
附录B：所用元器件 (41)
第一章概述1
第一章概述
1.1 系统开发背景及研究现状
功率放大器简称功放，俗称“扩音机”，是音响系统中最基本的设备，它的任务是把来自信号源（专业音响系统中则是来自调音台）的微弱电信号进行放大以驱动扬声器发出声音。

“SubWoofer”在商业或民用上通常被称为“超低音音箱”，其实“超”这个形容词是不对的，它重放的频率带通常是由上限的150Hz或100Hz至最低的25Hz左右，这只是低音而不是超低音。

因为20Hz以下的频率才是超过人耳聆听的音乐范围的低音，从科学或专业的解释角度来看，也只有低于20Hz的频率才能称为“超”低音。

但一般所说的超低音既是指重放频率下限在20Hz以上的低音。

无论是重播大动态音乐抑或电影音效时，超低音音箱的重要性甚至更胜于传统落地式的立体声音箱。

这是因为包含于许多音乐(交响乐或弦琴鼓乐)以及许多电影内的特殊声音效果都是极为雄壮且动态感十足的低音，这种声音效果并不单只是要让聆听者“听”到，而更是要让他们“感受”到此情此景的氛围。

1.2人们使用超低音的理由
超低音主要分为两大类，它们是无源式(PASSIVE)及有源式(ACTIVE)两种。

目前在市面上有很多三件头的带超低音和两个小型主音箱的"3D"卫星系统(Subwoofer/Satellite System)，在这种系统中只用一个超低音箱，因此超低音是单声道(L+R)信号，在分音点以上才有立体声效果。

这种系统是利用前级的音量控制旋扭来决定所有音箱的音量，如果超低音的灵敏度或音量跟主音箱不平均，会引发声场混乱、频响不均衡、声象定位出不来等情况，而此时当超低音的摆位上又不能解决这问题时，这些问题就难以改善，这种Subwoofer通常只在低级低价系统(low—Fi System)出现。

还有一种无源式超低音，左右主音箱是全音域，而超低音是在其频率上限截止点以下的低音出现时才发声。

这种系统叫接驳式的超低音系统，如主音箱重放的频率是在65Hz以下衰减，超低音的分音点就是在65Hz左右，它的目的就是把主音箱接驳顺畅。

这种系统的问题就是虽然主音箱在65Hz之下衰减，但并? 说它的
2
基于TDA2030A超低音功放电路的设计
低频在65Hz之下就开始截止降低，这些降低的程度是要看每个音箱在设计上的要求而定，所以在65Hz之下以超低音音箱重播，仍然会跟主音箱发生冲突，重要的理由就是超低音的喇叭单元跟主音箱的单元是不同产品，当两个不同的音箱喇叭单元时收到信号之后，如超低音大口径单元的振动质量肯定大于主音箱的喇叭单元，故发声速度要慢一些，它们一定不会同时发声的。

所以有很多玩这种超低音的发烧友觉得加了超低音之后，效果是比不加时更乱。

这种超低音的设计者通常是尽可能把超低音的分音点校到最低，就是要避免跟主音箱有冲突。

这种系统的超低音分音点应该只可以为某一对主音箱而设计，当要换左右主音箱时，超低音音箱的分音点一定要再校。

尽管有些主音箱虽然是65Hz以下就衰减，但到20Hz时还有声音，当这些音箱加上驳接式的超低音时，效果可能会觉得更差，低音不够结实，没有质感，也可能觉得低音很乱。

生产这种超低音的厂家通常是把主音箱一起设计的。

否则在分音点及它们的频率截止点上的衰减(dB/octave)上会有问题，这些也是低价系统low-Fi System的玩意。

有源式ACTIVE(双放大器)超低音系统，信号直入带有源分频的前级，100Hz以下的频率由低音放大器放大后送至超低音音箱播出。

100Hz以上的频率经分频后送至主音箱的后级，放大后由主音箱播出。

此时要有一个音量控制用来控制超低音音量跟主音箱在音量上的比例，除此之外，还要有一个相位调节钮，可以把低音放大器的相位(Phase) 由0-180任意调校。

因为超低音放大器跟主音箱的功率放大器可能是不同设计，它们在大多数情况下都不会同一相位的，不同相位的聆听效果会使聆听者觉得有不一样的感觉，这个相位调节钮就是用来使超低音跟主音箱达到同一相位的效果。

当由不同相位调校到同一相位的时候，音量是会觉得大声一点，低音会比较Solid (丰富)一点。

相位相反到180度时声音的效果会稍为慢一些。

玩超低音的读者大多数认为是因为小型音箱的低音不够，才用超低音。

至于大喇叭落地箱就没有用超低音的必要，其实玩超低音并不是用来辅助低音这样简单。

在市场上只有极少数传统型式的扬声器能够忠实地再生出电影声音内的低音音效，而绝大部分的就算是中高价A V环绕放大器，也没有足够的功率能量去驱动超低音扬声器。

若是采用了有源主动式超低音扬声器，那么以上两个问题便可以迎刃而解了。

第一章概述3
1.3 课题的主要内容
设计一种超低音功放电路，该电路具有超低音和功放功能两部分。

TDA2030A 功率放大管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。

经过不断的电流及电压放大，就完成了功率放大。

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。

1. 输出功率：单位为W，由于各厂家的测量方法不一样，所以出现了一些名目不同的叫法。

例如额定输出功率，最大输出功率，音乐输出功率，峰值音乐输出功率。

(1) 音乐功率：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。

(2)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。

(3)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。

通常来说，峰值功率大于音乐功率，音乐功率大于额定功率，一般的讲峰值功率是额定功率的5--8倍。

2. 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20Hz--20KHZ正负1db.这个范围越宽越好。

一些极品功放的频响已经做到0--100KHZ。

3. 失真度：理想的功放应该是把输入的讯号放大后，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，其数值越小越好。

HI-FI功放的
4
基于TDA2030A超低音功放电路的设计
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。

4. 信噪比：是指信号电平与功放输出的各种噪声电平之比，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。

5. 输出阻抗：对扬声器所呈现的等效内阻，称做输出阻抗。

第二章集成功放的设计5
第二章集成功放的设计
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。

音频放大电路是典型应用电路，由一块TDA2030A和较少元件组成的音频放大电路、装置调整方便、性能指标好等突出的优点。

特别是集成块内部设计有完整的保护电路，能自我保护。

TDA2030A是一块性能十分优良的功率放大集成电路，其主要特点是上升速率高、瞬态互调失真小，在目前流行的数十种功率放大集成电路中，规定瞬态互调失真指标的仅有包括TDA2030A在内的几种。

我们知道，瞬态互调失真是决定放大器品质的重要因素，该集成功放的一个重要优点。

TDA2030A功率放大管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。

经过不断的电流及电压放大，就完成了功率放大。

根据掌握的资料，在各国生产的单片集成电路中，输出功率最大的不过20W，而TDA2030A的输出功率却能达18W，若使用两块电路组成BTL电路，输出功率可增至35W。

另一方面，大功率集成块由于所用电源电压高、输出电流大，在使用中稍有不慎往往致使损坏。

然而在TDA2030A集成电路中，设计了较为完善的保护电路，一旦输出电流过大或管壳过热，集成块能自动地减流或截止，使自己得到保护（当然这保护是有条件的，我们决不能因为有保护功能而不适当地进行使用）。

电路特点：
1. 外接元件非常少。

2. 输出功率大，Po=18W(RL=4Ω)。

6
基于TDA2030A超低音功放电路的设计
3. 采用超小型封装（TO-220）,可提高组装密度。

4. 开机冲击极小。

5. 内含各种保护电路，因此工作安全可靠。

主要保护电路有：短路保护、热保护、地线偶然开路、电源极性反接（Vsmax=12V）以及负载泄放电压反冲等。

6. TDA2030A能在最低±6V最高±22V的电压下工作在±19V、8Ω阻抗时能够输出16W的有效功率，THD≤0.1%。

无疑，用它来做电脑有源音箱的功率放大部分或小型功放再合适不过了。

TDA2030A集成电路的第三个特点是外围电路简单，使用方便。

在现有的各种功率集成电路中，它的管脚属于最少的一类，总共才5端，在焊接电路板的时候TDA2030A 的管脚的分布对于焊接的时候很重要的，如果管脚的区分有错，直接会导致的功率放大器烧掉。

通过查阅资料知道他的管脚分布为：汉字对着人，从左往右数为1 2 3 4 5 其中
1 为同相输入端
2为反相输入端
3为功率放大器的接地端
4为功率放大器额的输出端
5为功率放大器的电源线的接入端
图2.1 TDA2030A外形
图2.2 功能框图
第二章集成功放的设计7
表 2.1 引脚说明
1. TDA2030A具有负载泄放电压反冲保护电路，如果电源电压峰值电压40V的话，那么在5脚与电源之间必须插入LC滤波器，以保证5脚上的脉冲串维持在规定的幅度内。

2. 热保护：限热保护有以下优点，能够容易承受输出的过载（甚至是长时间的），或者环境温度超过时均起保护作用。

3. 与普通电路相比较，散热片可以有更小的安全系数。

万一结温超过时，也不会对器件有所损害，如果发生这种情况，Po（当然还有Ptot）和Io就被减少。

4. 印刷电路板设计时必须较好的考虑地线与输出的去耦，因为这些线路有大的电流通过。

5. 装配时散热片与之间不需要绝缘，引线长度应尽可能短，焊接温度不得超过260℃，12秒。

6. 虽然TDA2030A所需的元件很少，但所选的元件必须是品质有保障的元件。

8
基于TDA2030A超低音功放电路的设计
第三章设计任务内容及要求9
第三章设计任务内容及要求
3.1 设计目的
1. 要求了解集成功率放大器内部电路工作原理，掌握其外围电路的设计与主要性能参数的测试方法。

2. 要求掌握音频功率放大器的设计方法与小型电子线路系统的装调技术。

3.2设计任务及主要技术指标
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。

完成对超低音功放电路的设计、装配与调试。

3.3 工作原理分析
音频功率放大器的效果是让输入信号的音量和功率在输出端上高功率低失真的音频信号。

要求电源的使用效率高，尽可能的减小线性失真。

功放的几个重要参数：
1．输入灵敏度，是指功放所需最小输入信号电平，它是要求将音源信号放大到足够推动后级功放所需要的必要条件。

2．谐波失真度，这是功放一项极重要的指标，谐波失真是非线性失真的一种，它是放大器在工作时的非线性特征所引起的，失真结果是产生了新的谐波分量，使声音失去原有的音色，严重时声音发破、刺耳。

谐波失真还有奇次和偶次之分，奇次谐波会使人烦躁、反感，容易被人感知。

有些功放听起来让人感到烦躁，感觉疲劳，就是失真较大所引起的。

对功放影响最大的就是失真度，一般高保真要求谐波失真在0.05%以下，越低越好。

除了谐波失真外，还有互调失真，交叉失真，削波失真，瞬态失真，相位失真等，它们是影响功放质量的罪魁祸首。

考核功效的优劣，首先要看它的失真度，像意大利Sinfoni（诗芬尼）功放的总的谐波失真
10
基于TDA2030A超低音功放电路的设计
就在0.01%以下。

3．输出功率：
(1) 额定输出功率，称为（RMS），指放大器输出的音频信号在总谐波失真范围内，所能输出的最大功率。

它一般是交流信号峰值的0.707倍。

(2) 平均功率，平均功率一般是指各个频率点的平均消耗功率，它与额定输出功率有点类似，但是它一般要参考时间。

(3) 峰值输出功率，功放所能输出的最大音乐功率称为峰值输出功率，它不考虑失真，通常为（RMS）功率的1.414倍左右。

(4) 峰值-峰值功率，它是指正电压峰值到负电压的峰值的功率，它是峰值输出功率的四倍。

它的出现是厂家出于商业目的，并无实际意义。

4．信噪比，数值越大越好，一般用（S/N）表示，用信号功率Ps与噪声功率Pn的比值的分贝数表示，即
S/N=10lgPs/Pn=20lgVs/Vn（db）式（3-1）式中Vs、Vn分别为信号电压与噪声电压。

信噪比与输入信号电平的增加，信噪比也逐渐加大，但当输入信号电平达到某一数值后，信噪比基本保持不变。

按目前高保真要求，信噪比应达90dB以上为好，进口高档的功放机往往可达110-120dB，其性能可想而知了。

有的信噪比后面有A计权字样，A计权是指将噪声信号通过加权网络后测得的结果，由于人们对于高、低频段的噪声相对来说不太灵敏，所以出现了这样的计权方式。

计权噪声更加直观地代表人们实际感受到的噪声信号状况。

总之，信噪比越大，表明混在信号里的噪声越小，放音质量越好，便重放音乐清晰，干净而有层次。

5．频率响应，早期俗称功率带宽，指谐波失真不超过规定值时，功放的1/2额定功率频带宽度，即有高低端下跌-3dB的两个频率点之间所包括的频带，称之为功率带宽。

6．阻尼系数，主要是对低频而言，是直接影响低音音质的极重要的技术参数。

众所周知，喇叭的口径越大，低音相对就越好，但音盆越大其运动惯性也随之加大，此惯性使它很难与音频信号同步运动，往往表现出的声音混浊不清，尤其在100-400Hz低频，容易造成声染色，使人听起来模糊不清，很不自然。

有些改装车
第三章设计任务内容及要求11的低音喇叭，低频信号强时颤振不止，低音拖尾严重，这就是音盆惯性所引起的。

在功放设计时，工程师对功放采取一些技术措施，如选择多管并联，低内阻（毫欧级）大功率管，提高工作电压，选择优质线材等，极力提高阻尼系数，使它能够针对喇叭惯性运动，产生“电阻尼”作用，使音盆的运动与音频信号同步运动，尽可能使音盆在驱动信号结束后很快恢复到零位（即中心位置），这种阻止效果就是阻尼系数（Damp Factor），D=Rs/Ri，Rs=喇叭阻抗，Ri=功放输出内阻，D越大，音盆与信号同步效果就越好，低音就越纯越干净，重放效果就越好。

7．转换速率（Slew rate），功放的转换速率极大地影响着高音重放质量与性能。

转换速率越快，高音音质就越佳，越能准确地捕捉到稍纵即逝的高频信息。

高档功放可做到十几至几十V/us，低中档功放都一般不标出，这种转换速率的数值高低，与设计，用料有密切关系，但也不宜太高，太高会产生人耳听不见的20KHz 以上超音信号，不但对改善音质无作用，反而容易烧坏高音喇叭。

12
基于TDA2030A超低音功放电路的设计
第四章 方法设计与论证
13
第四章 方法设计与论证
一个实用的放大器通常有3个部分：输入级、中间级及输出级，起任务各不相同。

一般地说，输入级与信号源相连，因此，要求输入级的电阻大，噪声低，共模抑制能力强，阻抗匹配等；中间级主要完成电压放大任务，以输出足够大的电压；输出级主要向负载提供足够大的功率，以便推动如扬声器、电动机之类的功率负载。

功率放大电路的主要任务是放大信号功率。

音频功率放大器的效果是让输入信号的音量和功率在输出端上高功率低失真的音频信号。

要求电源的使用效率高，尽可能的减小线性失真。

初步画出原理框图如下：
14
基于TDA2030A超低音功放电路的设计
4.1 方案一 TDA2030A的BTL电路
TDA2030A的BTL电路的特点是在相同的电源供电条件下可以得到较普通功放两倍以上的功率。

在±12V供电时输出功率可达到20W以上，想获得更大的输出功率克提高输入电压，最大不超过±22V，其内部电路包括输入电路，中间级，输出电路。

BTL电路介绍：
(Bridge-Tied-load)意为桥接式负载。

负载的两端分别接在两个放大器的输出端。

其中一个放大器的输出是另外一个放大器的镜像输出，也就是说加在负载两端的信号仅在相位上相差180°。

负载上将得到原来单端输出的2倍电压。

从理论上来讲电路的输出功率将增加4倍。

BTL电路能充分利用系统电压，因此BTL结构常应用于低电压系统或电池供电系统中。

在汽车音响中当每声道功率超过10w 时，大多采用BTL形式。

BTL形式不同于推挽形式，BTL的每一个放大器放大的信号都是完整的信号，只是两个放大器的输出信号反相而已。

用集成功放块构成一个BTL放大器需要一个双声道或两个单声道的功放块。

但是并不是所有的功放块都适用于BTL形式，BTL形式的几种接法也各有优劣。

典型的功放集成块有TDA2030A LM1875 LM4766 LM3886 TDA1514等.
BTL（Balanced Transformer Less）电路，称为平衡桥式功放电路。

它由两组对称的OTL或OCL电路组成，扬声器接在两组OTL或OCL电路输出端之间，即扬声器两端都不接地。

BTL电路的主要特点有：可采用单电源供电，两个输出端直流电位相等，无直流电流通过扬声器，与OTL、OCL电路相比，在相同电源电压、相同负载情况下，BTL电路输出电压可增大一倍，输出功率可增大四倍，这意味着在较低的电源电压时也可获得较大的输出功率，但是，扬声器没有接地端，给检修工作带来不便。

BTL电路的优点有只需要单电源供电，(但还是有用双电源)且不用变压器和大电容，输出功率高。

缺点是所用管子数量多，很难做到管子特性理想对称，且管子总损耗大，转换效率低。

第四章方法设计与论证15
4.2 方案二TDA2030A的OCL电路
OCL 是英文 Output Capacitor Less 的缩写，意为无输出电容。

采用两组电源供电，使用了正负电源，在电压不太高的情况下，也能获得比较大的输出功率，省去了输出端的耦合电容。

使放大器低频特性得到扩展。

OCL 功放电路也是定压式输出电路，为钏电路由于性能比较好，所以广泛地应用在高保真扩音设备中。

OCL电路的主要特点有：采用双电源供电方式，输出端直流电位为零；由于没有输出电容，低频特性很好；扬声器一端接地，一端直接与放大器输出端连接，因此须设置保护电路；具有恒压输出特性；允许选择4Ω、8Ω或16Ω负载；最大输出电压振幅为正负电源值，额定输出功率约为 /(2RL)。

需要指出，若正负电源值取OTL电路单电源值的一半，则两种电路的额定输出功率相同，都是 /(8RL)。

因为我最终选择的是OCL电路，所以后文会有详细介绍。

4.3 方案三 TDA2030A的OTL电路
TDA2030A的OTL电路为单电源供电，在相关参数计算中电源均由V的一半代替。

OTL电路介绍：
省去输出变压器的功率放大电路通常称为OTL电路。

其中，OTL为Output TransformerLess 的缩写。

OTL电路为单端推挽式无输出变压器功率放大电路。

通常采用电源供电，从两组串联的输出中点通过电容耦合输出信号。

OTL(Output transformerless )电路是一种没有输出变压器的功率放大电路。

过去大功率的功率放大器多采用变压器耦合方式，以解决阻抗变换问题，使电路得到最佳负载值。

但是，这种电路有体积大、笨重、频率特性不好等缺点，目前已较少使用。

OTL电路不再用输出变压器，而采用输出电容与负载连接的互补对称功率放大电路，使电路轻便、适于电路的集成化，只要输出电容的容量足够大，电路的频率特性也能保证，是目前常见的一种功率放大电路。

它的特点是：采用互补对称电路(NPN、PNP参数一致，互补对称，均为射随组态，串联，中间两管子的射极作为输出)，有输出电容，单电源供电，电路轻便可。