高保真音频功率放大器课程设计报告

内容摘要

本文所做的TDA2030高保真音频放大器使得重放的声音跟真实的声音高度相似，具有功率大，失真小，音质甜美等优点。文中介绍了高保真音频放大器所用的芯片TDA2030，它是单片功率放大器，在音响场合提供非常低真度和高品质的性能，放大器具有最少的元件，保护电路包括内部电流和热关断。并且具体介绍了TDA2030的特点和功率放大功能，电路原理以及电路板的焊接和调试的过程，完整的阐述了高保真音频放大器的设计与制作过程。

1、设计要求及主要技术指标

1.1、设计要求

1、选择电路方案，完成对确定方案电路的设计，选择合适的功放电路，如：OCL、OTL或BTL电路，计算电路元件参数与元件选择、并画出电路原理图；

2、选定元器件和参数，并设计好电路原理图，阐述基本原理；

3、在电路板上完成对高保真音频功率放大器的设计、装配和调试；

4、实际电路性能指标测试结果，并与理论指标进行对比分析；

5、撰写设计报告。

1.2、主要技术指标

输出功率10W；

频率响应20~20KHz；

效率>60﹪；

失真小。

2、题目分析

音频放大器的目的是以要求的音量和功率水平在发声输出元件上重新产生真实、高效和低失真的输入音频信号。音频频率范围约为20 Hz～20 kHz，因此放大器必须在此频率范围内具有良好的频率响应。音频功率放大器的主要作用是向负载提供功率，要求输出功率尽可能大，效率尽可能高，非线性失真尽可能小。

为了获得足够大的输出功率，功放管的电压和电流变化范围应很大。功率放大器是在大信号状态下工作，电压、电流摆动幅度很大，极易超出管子特性曲线的线性范围而进入非线性区，造成输出波形的非线性失真，因此，功率放大器比小信号的电压放大器的非线性失真问题严重。

功率放大电路的电路形式很多，有双电源供电的OCL互补对称功放电路，单电源供电的OTL功放电路，BTL桥式推挽电路和变压器耦合功放电路，等等。我选用的是双电源供电的OCL互补推挽对称功放电路。此推挽功率放大器的工作状态为甲乙类。推挽功率放大器的工作状态之所以设为甲乙类而不是乙类，其目的是为了减少“交越失真”。OCL互补推挽对称功放电路一般包括驱动级和功率输出级，前者为后者提供一定的电压幅度，后者则向负载提供足够的信号频率，以驱动负载工作。

3、集成功率放大电路介绍

集成功率放大电路大多工作在音频范围，除具有可靠性高、使用方便、性能好、重量轻、造价低等集成电路的一般特点外，还具有功耗小、非线性失真小和温度稳定性好等优点。

从电路结构来看，集成功放是由集成运放发展而来的，和集成运算放大器相似，包括前置级、驱动级和功率输出级，以及偏置电路、稳压、过流过压保护等附属电路。 除此以外，基于功率放大器输出功率大的特点，在内部电路的设计上还要满足一些特殊的要求。

集成功率放大器品种繁多，输出功率从几十毫瓦至几百瓦的都有，有些集成功放既可以双电源供电，又可以单电源供电。

4、方案的设计与论证

由课程设计的要求初步画出电路的原理框图如图1所示：

由上可知电源要采用双电源供电，电源可以双12V的交流变压器经整流滤波得到，主要考虑功率放大部分。

方案一：TDA2030的BTL电路的特点就是在相同的供电电压下，可以得到较普通功放两倍以上的输出功率，在±16V供电的时候可输出34W的功率，想获得更大的输出功率可提高供电电压，最高不可超过±22V。其内部电路包含输入级、中间级和输出级，且有短路保护和过热保护，可确保电路工作安全可靠。TDA2030BTL功放的电路图如图2所示：

方案二：图3电路为音频功率放大器OCL原理图，其中TDA2030是高保真集成功率放大器芯片，输出功率大于10W，频率响应为10~1400Hz,输出电流峰值最大可达3.5A。TDA2030的OCL的应用电路如图3所示：

在两个方案中我们选择了较易实现的方案二，经过简单的调试即可成功。由已知的TDA2030固有的资料可知，TDA2030在电源±14V负载电阻为4欧姆时输出功率为18W（失真度<0.5%）。若用两块TDA2030组成OCL电路，在电源±12V时输出功率可增至20W，满足设计的要求。

具体详细的电路原理图如下：

电路原理图

5、元器件清单

6.1电源

TDA2030的额定输入电压为±6V~±18V，为了达到输出功率为10W的额定值，并且减少TDA2030的散热，我采用±12V供电。为此我们选用了市面上比较普遍的±12V变压器，进而将220V交流电压转换成电路需要的稳定的±12V电压。

6.2 TDA2030介绍

TDA2030是许多电脑有源音箱所采用的Hi-Fi功放集成块。它接法简单，价格实惠。额定功率为14W。电源电压为±6～±18V。输出电流大，谐波失真和交越失真小（±14V/4欧姆，THD=0.5%）。具有优良的短路和过热保护电路。其引脚图如下所示：

6.2.1TDA2030管脚功能

1脚是正相输入端

2脚是反向输入端

3脚是负电源输入端

4脚是功率输出端

5脚是正电源输入端。

TDA2030各脚电压：5脚24V正常，4脚12V输出脚正常，2脚12V正常，1脚信号输入脚12V正常。

6.2.2采用TDA2030的原因

TDA2030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，我们知道，瞬态互调失真是决定放大器品质的重要因素，是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。

TDA2030集成电路的另一特点是输出功率大，保护性能较完善。根据掌握的资料，在各国生产的单片集成电路中，输出功率最大不超过20W，而TDA2030的输出功率却能达到18W，若使用BTL电路，输出功率可增至35W。另一方面，大功率集成块由于电源电压高、输出电流大，在使用中稍有不慎往往致使损坏。然而在TDA2030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，集成块能自动减流或栽止，使自己得到保护。

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，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。

TDA2030在电源电压±14V，负载电阻为4Ω时输出14瓦功率（失真度≤0．5％）；在电源电压 ±16V，负载电阻为4Ω时输出18瓦功率（失真度≤0．5％）。该电路由于价廉质优，使用方便，并正在越来越广泛地应用于各种款式收录机和高保真立体声设备中。该电路可供低频课程设计选用。

6．3音频输入的设计

6.3.1前置放大电路的设计

为了使音频信号较小时仍然能够输出较大的电压和功率，我选择了在输入级前加入了一个音频前置放大电路。并选择了通用集成运放UA741连接成负反馈电路，具体电路模块如图5所示：

6.3.2滤波电路的设计

音频信号输入有干扰信号，输出信号夹杂有无用信号，会对电路产生干扰，是输出收到影响，难以达到预想效果。因此，设计电路时需要考虑滤波，讲干扰信号滤去。滤波电路如图6所示：

6.4外围元件的选取

6.4.1音频输入端滤波电容的选取

同相输入端的电阻R1、R2是用作直流平衡电阻，一般去数十千欧，跟负反馈的电阻有关，在此选取R1=R2=22KΩ，C1为耦合电容，用以滤去输入信号中的低频信号，与R1构成高通低频响应电路。

6.4.2反馈电路电阻电容的选取

为使反馈电路对称，且输出功率内容能够在负载为8Ω时能够达到10W且频率范围为20~20KHz，失真小，通过调试，在反馈电容为22μF，反馈电阻R3=R4=R7=R8=22KΩ，R2=R6=680Ω，效果较好。

6.4.3输出电容的选取

由于输出端接的是喇叭，为感性，为防止其发生自己振荡，同时更好的滤波保证输出信号更好，在输出端分别接上一个电容（陶瓷电容0.22μF）和一个电阻（1Ω）串联接地。

7、电路板的焊接、调试与检修

7.1焊接

焊接工具：电烙铁、万用表、尖嘴钳、螺丝刀、焊锡丝等。

焊接时先焊接跳线，再焊接电阻，再焊电容，再焊整流管，再焊接电位器，最后焊TDA2030。焊接TDA2030前须先把TDA2030用螺丝固定在散热片上，否则在最后装散热片是螺丝很难打进去，焊接时要注意到焊接质量。

焊接完毕后完整的电路板图如下所示:

7.2调试

1、电路板焊好电子元件后，要仔细检查电路板有无焊错的地方，特别要注意有极性的电子元件，如电解电容，桥式整流堆，一旦焊反就有烧毁元器件的风险，请特别注意。

2、接上变压器，先检查TDA2030是否有电源供给，就是测TDA2030的第五引脚是否为正电压，第三脚是否为负电压，要注意电路是否有短路的情况。

3、为防止烧掉扬声器，放大器的输出端（OUT）先不接扬声器，而是接万用表，测输出端的直流电位。万用表置于DC*2档，功放板上电注意万用表的读数，在正常情况下，读数应在30mV以内，否则应立即断电检查电路板。若电表的读数在正常范围内，则表明该功放板功能基本正常，最后接上音箱，输入音乐信号，上电试机，旋转音量电位器，音量大小应该有变化，旋转高低音旋钮，音箱的音调有变化。

7.3检修

在测试中，电路工作不正常，需对电路进行检查修理。由于前面已检查，元件安装是正确的，则现故障可能是出自于虚焊或元件损坏。常见故障如下：

（1）源电压不正常。如：

①输出电压低，功放集成电路发热严重，功放集成电路损坏。

②输出电压时有时无。滤波电容引脚氧化，造成虚焊。

输出直流电压。电路板上电源两根跳线未焊。 

（2）量调节不正常。如：

①一个声道不能调节音量。该声电位器坏。

②一个声道无信号输出。该声道R5或C5虚焊。

8、心得体会

这次课程设计的学习，学到了很多关于电路理论方面和实践方面的知识，受益匪浅。我对这门课程设计非常感兴趣。不仅锻炼了自己的动手能力，亦加深了对音频功率放大器方面知识的理解。

我们最先要做的是绘制一份合理的高保真音频功率放大器的电路原理图，在这过程中我们根据各种元件的用途、型号及实际应用效果，查找了许多有关方面的资料，也观察分析了许多功率放大器的电路图，学会了如何绘制一张实际的功率放大器电路原理图。

期间我发现了很多问题，经过反复思考与分析，发现原来许多理论的功率放大器原理图都与实践有很大的区别，我耐心的一个个对原理图进行分析，最后我们确定了自己的合理的原理图，进行了分析和元件参数的一定程度的修改。最后确定了实际功率放大器的元件参数，即确定了实际功率放大器的焊接原理图。

紧接着我们就购买了所需的电路元件，开始了我们的实物焊接阶段。因为之前的电工实习让我简单的接触到了焊接实物，以为会比较轻松，但实际焊接起来才发现此次与电工实习中的焊接实物有很大的不同，要自己对焊板上元件进行布置和焊接电路元件连线，增加了很大的难度。在此期间，除了对元件较好的焊接外，还要考虑电路元件间的影响（即元件之间信号的干扰等问题），还要考虑元件连线的不相交以及焊板面积的大小、元件摆放和连线的美观性等，所以想要焊出一块实用又美观的板子，还要经过一番考虑和布置。

通过这短暂几天的学习，让我体会到想要创造一个实用的电子设备要经过很长时间的设计与改造，因为实际与理论又很大的区别。在我们学习的过程中不仅考验了我们对知识的吸收和掌握，而且也考验了我们的细心和耐心。提到细心和耐心，我深有体会。在画完电路图后，出了很在我们学习的过程中不仅考验了我们对知识的吸收和掌握，而且也考验了我们的细心和耐心。我认为这次实习不仅仅学习了软件知识，还提高了我们专业素质。

作为一个电子专业的学生，我深知课程设计的重要性。这次实习我从刚开始的什么都不懂不会不敢不碰，到现在的基本了解了一个电路元件是如何构成的，还有以前看的集成板上让人难琢磨的电路焊接图我都可以看懂一些了。我们顺利完成了这两周的课程设计。

完成这次课程设计我觉得收获很多，不但进一步掌握了知识，还提高了自己的设计能力及动手能力。更多的是让我看清了自己，明白了凡事需要耐心，实践是检验真理的唯一标准。理论知识的不足在这次实习中表现的很明显。这将有助于我今后的学习，端正自己的学习态度，从而更加努力的学习。只有这样我们才能真正的去掌握它，而不是只懂得一点皮毛。同时我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们实习成功的一项非常重要的保证。而这次实习也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。