高保真音频功率放大器设计书
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高保真音频功率放大器设计书
摘 要
本文介绍了采用集成功放芯片TDA2030A设计高保真音频功率放大器的原理与方法，主要是阐述如何使用集成功放TDA2030A设计并制作高保真音频功率放大电路。阐述了音频的前置放大电路，集成芯片的结构分析以及比较选取，重点分析了TDA2030A功放电路的结构，以及其外围电路，利用两个对称正相、反相集成功放的平衡电路使得整个电路的输出功率更大，效率更高。并且TDA2030A集成功放上升速率高、瞬态互调失真小、保护性能以较完善、电源接通时冲击噪声小、外围电路简单，使用方便。同时在电路中加入了几个电位器实现对输出功率可调，使功放的实用性更好。
关键词：TDA2030A；高保真；失真小；输出功率大；效率高
1、设计要求及技术指标
1．1、设计题目：
高保真音频功率放大器的设计与实现
1．2、初始条件:
可选元件：集成功放LA4100或LA4102；集成功放4430；集成功放TD2030；集成功放TDA2004、2009；集成功放TA7240AP（集成功放的选择应满足技术指标）。集成运算放大器uA741、NE5532。电容、电阻、电位器若干；或自备元器件。直流电源±12V，或自备电源。
可用仪器：函数信号发生器，示波器，万用表，毫伏表
1．3、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、并画出体电路原理图。根据技术指标和已知条件，。
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、在万能板或面包板上完成对高保真音频功率放大器的设计、装配与调试；
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。
1．4、设计任务
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。完成对高保真音频功率放大器的设计、装配与调试。
1．5、主要技术指标
输出功率：10W/8Ω；
频率响应：20~20KHz；
效率：>60﹪；
失真小。
2、工作原理分析
音频功率放大器的效果是使输入信号的音量和功率在输出端上重新产生高功率低失真的音频信号。而题目要求音频频率范围约为20~20KHz，因而要求设计的功率放大器在20~20KHz的频率范围内有良好的频率响应。输出的功率能够在负载为8Ω时能够达到10W，
而且要求电源的使用效率高（大于60﹪），尽可能减小非线性失真。
3、方案设计与论证
由课程设计的要求初步画出电路的原理框图如图1所示：
图1-原理方框简图
由上可知，电源要采用双电源供电，故可以用无输出电容的功率放大电路即ocl电源，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：[1]TDA2030A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。TDA2030A BTL功放的电路图如图2所示：
图2-TDA2030A BTL功放的电路图
方案二：图3电路为[1]音频功率放大器OCL原理图，其中TDA2030A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。TDA2030A的OCL得应用电路如图3所示： 信号
输入 前置放 输入级 中间级 输出级
负反馈 偏置电路
信号输出
图3-TDA2030A OCL应用电路
TDA2030A使用方便、外围所需元器少，一般不需要调试即可成功。比较方案一方案二，方案一有很多优点，在各个方面都要比方案二强，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。所以我选择了电路比较简单的，连接较简单的方案一，它外围所需元器少，一般不需要调试即可成功。
同时，从理论上讲，[1]选择电路在OTL 、OCL和BTL中选择，利用TDA2030A固有的特点并加以改善从而来设计制作满足要求的功率放大电路。由已知的TDA2030A的资料可知，TDA2030A在电源14V，负载电阻为4Ω时输出功率为18W（失真度0.5%）；在电源电压16V，负载电阻为4Ω时输出功率为18W（失真度0.5%）。若用两块TDA2030A组成BTL电路，输出功率可增至35W。而任务要求是利用12V的直流电源，负载为8Ω，输出功率为10Ｗ。由此可得，在10%的允许误差范围内，若想满足任务中的要求，则应选择TDA2030A为核心的BTL电路。
因而从上述分析，我决定选择方案一来完成高保真音频功率放大器的设计。
4、仿真软件介绍
4.1仿真软件介绍
本次试验采用Multisim仿真软件。Multisim是以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。
4．2 Multisim仿真软件的优点及应用范围
●通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路
●通过交互式SPICE仿真, 迅速了解电路行为
●借助高级电路分析, 理解基本设计特征
●通过一个工具链, 无缝地集成电路设计和虚拟测试
●通过改进、整合设计流程, 减少建模错误并缩短上市时间
NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。
通过以上对Multisim仿真软件的介绍及优点的分析，我选择了该软件来对电路的设计以及参数的调试。
5、电路单元模块设计
5.1 电源电路的设计
因为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TDA2030A的散热，我采用12V供电。
[2]为了输出稳定的12V，我采用7812和7912两个稳压片，获得12V的电压。因为两个稳压片的输入最好比输出高3~7V，因此从滤波电容出来的电压应该为11V~15V，因为经过滤波电容后的电压是2U的1.4倍左右，一次2U的大小应该为8V~11V,因此我选择副边电压为15V的带中间抽头的变压器。为了保证变压器不被烧毁，我选择30W的变压器。为了达到好的滤波效果，在输入端我加上2200uF的电容，为了不被烧毁，我选择50V的额定电压。
综合的电源电路图如图4所示：
图4-电源电路图
5.2 音频输入的设计
5.2.1、前置放大电路的设计：
为了使当输入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[3]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：
图5-前置放大电路图
5.2.2、滤波电路设计：
音频信号输入时有干扰信号，输出信号夹杂有无用信号，会对电路产生干扰，使输出受到影响，难以达到预想效果。因此，设计电路时需要考虑滤波，将干扰信号滤去。[4]如图所示，图有阻直流通交流，阻低频通高频的作用，可以作为输入耦合电容，放在输入级与输入信号之间，滤去输入的杂波信号，可以根据公式fRC21
粗略确定其大小。滤波电路如图6所示：
图6-滤波电路图 5.3、集成功放的设计
5.3.1功放模块电路设计图如图9所示：
图9-功放模块电路图
5.3.2 采用TDA2030A的原因：
采用TDA2030A集成芯片， TDA 2030A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，输出功率最大的不过20W，而TDA 2030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TDA 2030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。
TDA2030A集成电路的第三个特点是外围电路简单，使用方便。
TDA2030A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。
基于TDA2030A这么多的优点，并且它的输出功率完全达到课设要求。因此我选择该芯片。并且按照它芯片资料上面的典型电路图设计的自己的功放电路。
引脚情况，如图7所示：
图7-集成功放TDA2030A引脚图
5.3.3、外围元件参数的计算
5.3.3.1电源输入端电容的选取
由于电源本身并不是完全直流的，里面含有纹波，会影响输出效果，因而需要在电源输入端对电源进行滤纹波，本实验设计采用在电源输入端并联一个大电容（电解电容100uF）和一个小电容（陶瓷电容0.1uF），大电容滤低，小电容滤高频，可以很有效地滤掉电源的纹波。
5.3.3.2音频输入端滤波电容的选取[5]
同相输入端的电阻1R、2R是用做直流平衡电阻，一般取数十千欧，跟负反馈网络的电阻有关，在此取1R=2R=22kΩ。1C为耦合电容，用以滤去输入信号中的低频信号，与1R构成高通低频响应电路。
由公式 1121CRfL 得 当 Lf=20zH时，算得1C=0.8F
为了更好的滤波，可适当调大1C，取1C=2.2F。相应的幅频响应为：
211ffALVL
相频响应为：
ffrcLLtan
由此可以做出如图8所示的RC高通电路的近似频率特性曲线──折线波特图。
图8-RC高通电路的频率响应波特图
5.3.3.3、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，[6]在反馈电容均为22uF,反馈电阻R2=R3=R4=10KΩ,R7=R8=1 KΩI时，效果最佳。
5.3.3.4 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，在数出端分别接上一个电容（陶瓷电容0.22uF）和一个电阻（1Ω）串联接地。
6、 电路的仿真、硬件的安装与调试
6.1应用Multisim软件仿真电路：
6.1.1仿真的波特图如图10所示：
图10-仿真方针波特图
在负载为8Ω，输出功率为10.154W时，仿真通过观察波特图，观察的下限截止频率为fL=11.471HZ上限截止频率fH=26.143KHZ，因而仿真的频率范围为11.47~26.143KHZ，即仿真达到了实验要求，仿真通过。
