音频功率放大电路设计

成绩课程设计说明书
题目：音频功率放大电路设计课程名称：模拟电子技术
学院：电子信息与电气工程学院学生姓名：
学号：************
专业班级：自动化2011级2班指导教师：***
2013 年 6 月7日
课程设计任务书
音频功率放大电路的设计
摘要：设计一个音频功率放大电路,该电路由前置放大、音调调节、功率放大三个部分组成，并且带有高低音调节，负载电阻为8Ω（扩音器的等效阻抗）；额定输出功率为4W；带宽大于50Hz~15kHz；音调控制为：低音（100Hz）±12dB,高音（10KHz）±12dB。

输入阻抗约100KΩ。

前置放大是由反向比例运算放大器组成，主要元器件是NE5532P。

音调放大由运算放大器构成，可以对高频段和低频段的增益分别进行提升和衰减。

功率放大是OTL电路构成，主要元器件是TDA2030。

关键词：音频放大；前置放大；音调调节；功率放大
目录
1. 设计背景 (1)
1.1 学习集成运算放大电路的基本知识 (1)
1.2了解有源滤波电路的基本原理 (1)
2.设计方案 (1)
2.1 设计方案 (1)
2.1 任务分析 (1)
2.2 方案论证 (1)
3. 方案实施 (3)
3.1 原理图设计 (3)
3.2 电路模拟 (7)
3.3 PCB制作 (9)
3.4 安装与调试 (10)
4. 结果与结论 (10)
4.1结果 (10)
4.2结论 (10)
5. 收获与致谢 (10)
6. 参考文献 (11)
7. 附件 (11)
7.1 电路原理图 (11)
7.2 PCB布线图 (11)
7.3元器件清单 (12)
7.4. 实物拍图 (13)
1.设计背景
1.1 学习集成运算放大电路的基本知识
集成运放实际上是一种高性能的直接耦合放大电路，从外部看，可等效为双端输入、单端输出的差分放大电路。

通常由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分组成。

对于由双极型管组成的集成运放，输入级多用差分放大电路，中间级为共射电路，输出级多用互补输出级，偏置电路是多路电流源电路。

1.2 了解有源滤波电路的基本原理
通常，按照滤波电路的工作频带为其命名，分为低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）、带阻滤波器（BEF）、和全通滤波器（APF）.设截止频率为p f，频率低于p f的信号能够通过，高于p f的信号被衰减的滤波电路称为低通滤波器，反之称为高通滤波器。

设低频段的截止频率为1p f，高频段的截止频率为2p f，频率在1p f、2p f之间的信号能够通过，低于1p f和高于2p f的信号被衰减的滤波电路称为带通滤波器，反之称为带阻滤波器。

2.设计方案
2.1 任务分析
根据实习要求可知，本次实习是设计一个音频功率放大电路，因为要对音源信号进行放大，因此必须有一个前置放大电路。

因为还要对音调进行控制，因此必须有一个音调调节电路。

音调调节由低通、高通、带通等滤波信号组成，可以根据要求对声音中某些频率段的增益进行提升或衰减。

2.2 方案论证
前置放大是将外部的音源信号进行放大并且输出。

音频功率放大器的作用是将声音源输入的信号进行放大，然后输出驱动扬声器。

声音源的种类有多种，如传声器（话筒）、电唱机、录音机（放音磁头）、CD唱机及线路传输等，这些声音源的
输出信号的电压差别很大，从零点几毫伏到几百毫伏。

一般功率放大器的输入灵敏度是一定的，这些不同的声音源信号如果直接输入到功率放大器中的话，对于输入过低的信号，功率放大器输出功率不足，不能充分发挥功放的作用；假如输入信号的幅值过大，功率放大器的输出信号将严重过载失真，这样将失去了音频放大的意义。

所以一个实用的音频功率放大系统必须设置前置放大器，以便使放大器适应不同的的输入信号，或放大，或衰减，或进行阻抗变换，使其与功率放大器的输入灵敏度相匹配在这里我们的主要元器件采用了NE5532P，因为NE5532是高性能低噪声双运算放大器（双运放）集成电路,与很多标准运放相似，但它具有更好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽，电源电压范围大等特点。

因此很适合应用在高品质和专业音响设备、仪器、控制电路及电话通道放大器。

用作音频放大时音色温暖，保真度高，在上世纪九十年代初的音响界被发烧友们誉为“运放之皇”，至今仍是很多音响发烧友手中必备的运放之一。

音调调节是由低通、高通、带通、等滤波器组成，可以对音调进行控制的电路，可以使使用者根据具体的使用要求，对声音信号中某些频率段的增益进行调整。

音调控制电路大致可分为三大类：（1）衰减式音调控制电路（2（晶体管、运放）负反馈音调控制电路（3）负反馈混合式音调控制电路。

电路一般使用高音、低音两个调节电位器；音调控制电路的于中音频而言。

所谓衰减，就是比中音频的衰减还要大一些。

一个良好的音调控制电路，要有足够的高、低音调节范围，但又同时要求高、低音从最强到最弱的整个调节过程里，中音信号不发生明显的幅度变化，以保证音质大致不变。

而衰减式和负反馈式相比。

衰减式音调控制电路的调节范围可以做得较宽，但因中音电平要作很大衷减，并且在调节过程中整个电路的阻抗也在变。

所以噪声和失真大一些。

负反馈式音调控制电路的噪声和失真较小，但调节范围受最大负反馈量的限制，所以实际的电路常和输入衷减联合使用，成为衰减负反馈混合式。

它们各有优缺点，在本次实习中我们采用了反向负反馈。

功率放大电路通常作为多级放大电路的输出级。

在很多电子设备中，要求放大电路的输出级能够带动某种负载，例如驱动仪表，使指针偏转；驱动扬声器，使之发声；或驱动自动控制系统中的执行机构等。

总之，要求放大电路有足够大的输出功率。

这样的放大电路统称为功率放大电路。

外部音源信号经过前置放大、音调调节后，输入最后的功率放大级，然后驱动扬声器，发出声音。

本次试验中的功率放
大器采用TDA2030集成块，其本质就死一个运算放大器，与其他运放相比，它有
3.1 原理图设计
1、前置放大
本次试验，前置放大电路，均衡电路均使用的是NE5532P，是一种双运放高性能低噪声运算放大器。

相比较大多数标准运算放大器，它显示出更好的噪声性能，提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源带宽。

这使该器件特别适合应用在高品质和专业音响设备，仪器和控制电路和电话通道放大器。

NE5532P的极限额定值如表1所示。

表1 NE5532P极限额定值
Tsld 焊接温度（极限值10秒） 230 ℃
在反相比例运算电路中，如图2所示，输入电阻为1R ，同时2R 与1R 的比值就
是放大倍数，减小1R 可以提高放大倍数，但也减小了输入电阻。

1R =100K ；2R =510K ；
I U R R U 1
20-==-5.1；人耳朵听到的最低频率是20Hz ，因此1
100212C R w f ππ==<20Hz ⇒1C >0.08uF ，由元器件清单可知1C =10uF 图2 前置放大设计电路图
2、 音调调节
音调控制电路的主要功能是通过对放音频带内放大器的频率响应曲线的形状进行控制，从而达到控制放音音色的目的。

此外还能补偿信号中所欠缺的频率分量，使音质得到改善，从而提高放音系统的放音效果。

在高保真放音电路中，一般采用的是高、低音分别可调的音调控制电路。

一个良好的音调控制电路，要求有足够的高、低音调节范围，同时有要求在高、低音从最强调到最弱的整个过程中，中音信号（一般指1kHz ）不发生明显的幅值变化，以保证音量在音调控制过程中不至于有太大的变化。

由于集成运算放大器具有电压增益高、输入阻抗高等优点，用它制作的音调控
制电路。

如图3所示，4R 是高音调节电位器，5R 是笛音调节电位器，电容2C 是音频信号输入耦合电容，3C 、4C 是低音提升和衰减电容，一般情况下3C =4C ，电容5C 起到高音提升和衰减作用，要求5C 远小于3C 、4C 。

电路中各元器件一般满足的关系为4R =5R ；3R =6R =8R ；3C =4C ；由电路可知===863R R R 10K ；==54R R 100K ；7R =3.3K ；由于没有3.3K 的电阻，在此处选择7R =4.7K 。

f L2 =f L ×22=400Hz ； f L1 =400/10=40Hz ；
f H1 =f H ×2-2=2.5KHz ；f H2 =10×f H1=25KHz ；
L f 为低频频率，H f 为高频频率，1L f 为低频转折频率，2L f 为中低频转折频率，1H f 为中高频转折频率，2H f 为高频转折频率。

由此可知：带宽大于40~25KHz ，满足设计要求。

由f H2=5
421C R π=25KHz ；计算出：C 5=1.9nF ；因为只能选择大于1.9nF 的电容，因此5C =2.2nF 。

f L1=
C R 421π=40Hz ；计算出：C 3=C 4=C=40nF 。

因为没有40nF 的电容，因此选择47nF 。

图3音调调节电路
3 、功率放大
功率放大器的作用是给音响放大器的负载提供所需要的输出功率。

功率放大器的主要性能指标有最大输出不失真功率、失真度、信噪比、频率响应和效率。

目前常见的电路结构有OTL型、OCL型、DC型和CL型。

有全部采用分立元件晶体管组成的功率放大器；也有采用集成运算放大器和大功率晶体管构成的功率放大器；随着集成电路的发展，全集成功率放大器应用越来越多。

由于集成功率放大器使用和调试方便、体积小、重量轻、成本低、温度稳定性好，功耗低，电源利用率高，失真小，具有过流保护、过热保护、过压保护及自启动、消噪等功能，所以使用非常广泛。

功率放大电路中使用TDA2030，TDA 2030 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. TDA2030 集成电路的另一特点是输出功率大，而保护性能以较完善。

TDA2030 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，外型如同塑封大功率管，这就给使用带来不少方便。

TDA2030的极限参数如表2所示。

表2 TDA2030极限参数
TDA2030极限参数 参数名称 极限值 单位 电源电压(Vs) ±18 V 输入电压(Vin) Vs V 差分输入电压(Vdi) ±15 V 峰值输出电流(Io) 3.5 A 耗散功率(Ptot)(Vdi) 20 W 工作结温(Tj) -40-+150 ℃ 存储结温(Tstg)
-40-+150
℃
功率放大电路的放大倍数A u =1+
10
11
R R ≈33倍。

图4 功率放大电路
3.2 电路模拟
在电路设计的基础上用Multisim软件进行模拟，在软件上连接好电路图，闭合开关进行电路图模拟，模拟电路图如图5所示。

图5 Multisim模拟电路
用Multisim软件进行模拟，示波器的输入输出波形如图6所示。

图6 示波器波形
在用Multisim软件进行模拟的过程中，读出了万用表的读数，如图7所示。

图7 万用表读数
在用Multisim软件进行模拟的过程中查看了波特图示仪的波形，如图8所示。

图8 波特图输出波形
3.3 PCB制作
制作时须采用公制单位（mm），并且电源线和地线要求采用0.8mm, 信号线采用0.5mm。

另外焊盘的内径用0.9mm，外径采用一般为X方向1.5 mm，Y方向2.0mm 要根据实际情况来进行修改。

注意打孔时，钻头的大小采用0.8mm。

制作出的PCB 版图如图9所示。

图9 PCB版图
3.4 安装与调试
安装过程中要注意焊接的过程中有没有漏焊，虚焊，焊接错误，仔细检查有没有断点，等等。

调试的过程要把设计的电路板上连接Ω
8的喇叭进行测试，电源接±。

如果能够符合设计要求代表设计成功，如果没有成功需要检查检查电路，15
V
以及电路板。

4. 结果与结论
4.1 结果
经过我们多天的实践，在我们的不懈努力之下，克服了重重困难，终于使元器件得以正常工作，其播放效果不下于市场上价格60-70元的播放器，这让我们十分高兴。

4.2 结论
本次实践，利用NE5532P、TDA2030、前置放大电路、音调调节、功率放大几个电路完成了电路设计，经过仿真，并且观察了波形，设计了原理图，制作了PCB 板，对原器件进行了安装与调试。

在本次实践中我还有很多不足之处，例如对元器件认识不够，基础知识掌握不够牢靠，需要加强学习，理论知识不会灵活运用等不足之处，我会努力改正。

5. 收获与致谢
通过这次模拟电子课程设计，我学到了很多东西，受益匪浅。

第一，学到了在模电理论方面和实践方面的知识；第二，锻炼了自己的动手能力；第三，巩固了对Multisim仿真软件的应用；第四，加深了对模电元器件认识；总的来说，使我认识到课本上的知识只有应用到实践中，才会真正地体会到知识的力量.以前对模电的知识有许多疑惑的地方，通过这次课程设计，都很快理解了。

原来模电是应用性这么强的一门学科，如果完全掌握它的话，就可以设计出许多可以实现各种各样功能的电路。

在设计的过程中，也加强了我的思考和解决问题的能力，要完成一项任务并不是轻易成功的，过程中少不了困难，这时需要的是耐心和永不放弃的毅力，所以这次课程设计亦锻炼了我的意志。

我知道因为个人能力的局限性，肯定有不足的地方，不过我会再接再厉，更加努力学习，不断提高自己的能力，争取在下次的设计中做到更好。

在这两个星期的实践中，多亏了我的指导老师张天鹏，他给了我很大的启发和帮助，使我在这次实践中能够顺利的完成课程设计活动，同时还要感谢我的队友吴亚召、刘博文给我的无私的帮助，我希望在以后的日子里，还能和他们一起深入学习，在此我要深深感谢他们还有我的指导老师对我的帮助。

6. 参考文献
[1] 童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2005.
[2] 秦长海，张天鹏，翟亚芳.数字电子技术[M].北京：北京大学出版社，2012.
[3] 邱关源，罗先觉.电路（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.
[4] 阎石.数字电子技术（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2005.
7. 附件
7.1电路原理图
在本次实践中，我们设计的原理图如图10所示。

图10 电路原理图
7.2 PCB布线图
在本次实践中，我们所设计出的PCB布线图如图11所示。

图11 PCB布线图
7.3元器件清单
本次实践，我们用到的元器件清单如表3所示。

表3 元器件清单
7.4 实物拍摄图
经过我们的不懈努力终于做出了可以工作的实物，如图12所示。

图12 实物拍摄图
16。