模电课程设计方案之音频功率放大器

一、设计题目：音频功率放大电路
二、设计的任务和要求
1、主要要求：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8Ω。

2、性能指标：频带宽50H
Z ～20kH
Z
，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。

三、原理电路和程序设计
3.1、方案的确定及论证
1、OTA互补对称功率放大器
OTL 电路通常由两个对称的异型管构成，因此又称为互补对称电路，图 3-1 为单电源 OTL 互补对称功率放大电路。

电路中 T1 是推动级（电压放大，也叫激励级），其中Rb1、Rb2是 T1 的基极偏置电阻，Re为 T1发射极电阻，Rb为T1集电极负载电阻，它们共同构成 T1 的稳定静态工作点；T2、T3 组成互补对称功率放大电路的输出级，且 T2、T3工作在乙类状态；C2 为输出耦合电容。

功率放大器采用射极输出器，提高了输入电阻和带负载的能力。

性能分析：
乙类互补推挽功放(OTL)的输出功率的计算公式如下：
输出功率：P
o =U
o
I
o
=U
o
2/R
L
输出最大功率：P
om =U
o
I
o
=U
o
2/R
L
=U
om
2/2R
L
=V
CC
2/8R
L
显然P
与电源电压及负载有关
om
2/8R
当输入功率为8w，阻抗8w时，有Pom=V
CC
V
=8*8*8≈22.6v 则电路所需的电源为22.6v。

CC
2、用集成器件实现
Tda2030简介：TDA2030是德律风根生产的音频功放电路，采用V型5 脚单列直插式塑料封装结构。

该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，具有体积小、输出功率大、失真小等特点。

并具有内部保护电路。

电路特点：
[1].外接元件非常少。

（基本应用电路图3-2）
[2].输出功率大，Po=18W(RL=4Ω)。

[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%。

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。

图3-2使用单电源供电的tda2030基本应用电路
通过比较，使用分立元件需要的元件较多，且必须考虑三级管的各种性能上的差异，和保护电路，并且该电路所需要的电源要求较高，功耗也比较大，输出效率比较低。

使用集成电路，外围电路简单，容易实现各项功能。

运用集成芯片TDA2030完成音频功率放大电路的设计，能够更好地达到设计任务和要求。

3.2： 整体电路 1，主要元件：TDA2030
TDA2030A 的外形和引脚图如图3.1所示。

1-同相输入端，2-反相输入端，3-负电源端，4-输出端，5-正电源端。

1
2
3
4
5
TDA2030A 图3.1
TDA2030A 音频集成功放主要参数如表3.1所示：
表3.1
电源电压CC V 3~18V ±± 输出峰值电流 3.5 A 输入电阻 >0.5 M Ω 电压增益 30 d 频响带宽(BW)
0-140 kHz
2、放大电路的基本设计
整体电路设计：使用TDA2030加少量外围元件，输入端使共集放大电路增加输入阻抗。

3.3、各模块功能与设计
1、放大模块：
根据TDA2030的经典应用电路，在multisim中的电路如图3.3.1所示。

a）电路工作原理：该电路使用15v的单电源供电，TDA2030作为功率放大器，电阻R5和R4构成电压串联负反馈电路，其电压放大倍数A uf≈1+R5/R4=32.9。

b）为了tda能够正常工作，1脚和2脚的电压必须相同。

其中R2和R3起分压作用，使1脚的工作电压1/2Vcc。

22uf电容的电容是是VCC／2电压的滤波电容，为防止1脚电压产生大波动。

输出端接的1欧电阻和0.1uf电容式防止电路产生自激振荡。

c）2个二级管为保护TDA2030作用，防止电源反接时流过电流运放过大。

R7为滑动变阻器，改变输入端的电组，可以改变输入信号的大小。

d）当电压Vcc=15v时，电路的输出功率可以达到8w以上。

2、输入模块：
基本共集放大电路：共集放大电路又叫射极跟随器，放大电路的放大倍数接近1，该放大电路的输出跟输入信号相同，即输出信号随输入信号的变化发生相同的变化，具有“跟随”的作用。

它具有输入电阻大（索取信号能量的能力大），输出电阻小（给予负载信号能量的能力大）的特点，可以做多级放大器的输入级；
电路如图3.3.2所示示，其中三级管使用9013 H144。

放大倍数为220倍 9013是一种最常用的普通三极管。

它是一种低电压,大电流,小信号的NPN 型硅三极管 特性：
Uo
图3.31
图3.3.2
集电极电流Ic：Max 500mA
集电极-基极电压Vcbo：40V
工作温度：-55℃ to +150℃
功率(W):0.625
理论计算：
由图可计算得，共集放大电路的放大倍数约等于1。

RL负载电阻约为20k
其中输入阻抗的计算，由共集放大电路的输入阻抗公式可得：
Ri=(r be+（1+β）Re//R L)//R2
由于9013的rbe约为1k，Re为3K，R2为220k 输入电阻作近似计算
Ri=（220*3）//220≈159.9k
故此电路的输入阻抗近似为159.9k
四、电路和程序调试过程与结果
根据要求，仿真软件选用multisim，在软件中连接电路如图4.1所示：
1，波特图输出如图
由图可以看出，其仿真的结果，在50Hz-20kHz内的波形放大能力基本保持不变化。

符合题目要求。

50Hz——20kHz的输出波特图。

2，输入输出波形仿真
2.1选用信号源1kHz，输入100mvp，将音量调节到50%的位置。

用示波器观察仿真电路的情况。

其中，
在仿真电路中Auf ≈1+R5/R4=32.9
由上图仿真可得，当输入为141mv 时，输出值为4.1v 。

则放大倍数
Auf=4.1/0.141≈29.1。

与近似计算理论值32.9比较接近。

2.2.灵敏度测量：
当继续增大输入电压到123mvp 时，输出波形开始出现失真的现象，此时在输入端接入电压表，可以测量得电压为174mv 。

则输入灵敏度为174mv 五，实际测试
由图5a ，和图5b 可得，在输入100mvp ，频率为50Hz----20kHz 的正弦波下，输出波形未见失真。

该电路在50Hz----20kHz 可正常工作。

当输入为100mvp 时，电路的Auf=U 0/U I =2.2/(0.1/1.414)=31.0倍。

实际测试值与计算值32.9和仿真的值29.1比较接近，误差的主要来源于电路的元件的参数，比如电阻电容均存在误差，三级管的参数以及放大倍数也存在误差。

五、元件清单：
20khz 下的输出波形
50hz 下的输出波形
图5a
图5b
名称规格数量名称规格数量
电阻 1 1 电解电容器0.1uf 1
电阻3k 1 电解电容器1uf 3
电阻 4.7k 1 电解电容器 4.7uf 1
电阻100k 3 电解电容器22uf 1
电阻220k 1 电解电容器220uf 1
电位器22k 1 电解电容器2200uf 1
二极管1n4003 2 集成运放TDA2030 1
三极管9013 H144 1 万用版 1
六，总结
1、本次作品优缺点
优点：元件和电路简单，电路原理易懂。

应用单电源15v即可使输出功率＞8w。

输入阻抗大于47k，输入灵敏度为147mv，频带宽50H
Z ～20kH
Z
，输出波形基本不
失真。

缺点：使用手工焊接，没有使用pcb版制作。

Tda2030发热比较严重，不能长时间工作，需要解决散热问题。

可以假装散热片散热。

单电源的供电的效率比较低，并且功率不高，如果改用双电源供电，功率可以比较大的提高。

使用2个tda2030可以制作立体声的音频放大器。

2、心得体会：
通过此次的课程设计，掌握的音频功率放大器的基本设计方法和一些常用器件的使用方法。

对于模电的课程和一些内容有了更加深刻的认识，电子设计和需要扎实的理论基本功，同时也需要有一定的动手能力。

理论加上实践，才能做等更好。

七、主要参考书目：
1、童诗白、华成英，《模拟电子技术基础》
2、康华光，《电子技术基础》模拟部分
3、赵淑范王宪伟，《电子技术实验与课程设计》。