基于Multisim的音頻功率放大器設計與仿真

1、信息工程學院課程設計（論文）信息工程學院課程設計報告書題目: 基于Multisimde 音頻功率放大器設計與仿真 課 程：電子線路課程設計 專 業(yè)： 班 級： 學 號： 學生姓名： 指導教師： 2015 年 1 月 3 日 信息工程學院課程設計任務書學 號 學生姓名 專業(yè)（班級） 設計題目基于Multisimde 音頻功率放大器設計與仿真設計技術參數電源電壓：Vs ±22V 輸入電壓：VIN ±V 電源V 差分輸入電壓：VDIFF ±5V 工作溫度范圍：TA 070 存貯溫度：TSTG -65150 結溫：Tj 150 功耗（5532FE）：PD 1000mW 引

2、線溫度（焊接，10S） 300 設計要求1 輸出功率10W/8；頻率響應2020KHz；效率>60；失真小。2 選擇電路方案，完成對確定方案電路的設計。3 利用Multisim仿真設計電路原理圖，確定電路元件參數、掌握電路工作原理并仿真實現系統(tǒng)功能。4 安裝調試并按規(guī)范要求格式完成課程設計報告書。參考資料1. 謝自美.電子電路設計.實驗.測試.武昌：華中理工大學出版社，1994.2. 童詩白.模擬電子技術基礎.第二版.北京：人民郵電出版社，1999.3. 康華光主編，電子技術基礎（數字部分、模擬部分），高等教育出版社，1998.4.周澤義.電子技術實驗。武漢：武漢理工大學出版社，2001

3、.55.梁宗善.新型集成電路的應用-電子技術基礎課程設計.華中科技大學，20046.孫梅生.電子技術基礎課程設計.高等教育出版社，20057.黃繼昌，張海貴.實用單元電路及其應用.人民郵電出版社，20068.王衛(wèi)東，江曉安.模擬電子電路基礎.西安電子科技大學出版社，20039.華成英、童詩白.模擬電子技術基礎.第四版.北京:高等教育出版社,2006.5 2015 年 1 月 3 日 信息工程學院課程設計成績評定表學生姓名： 學號： 專業(yè)（班級）： 課程設計題目： 基于Multisimde 音頻功率放大器設計與仿真 成績： 指導教師： 年 月 日摘要 TDA2030功率放大電路具有失真小、功率大

4、、所需元件少、制作簡單、效果良好等優(yōu)點，用它來做電腦有源音箱的功率放大部分或MP4等小型功放再合適不過，本論文便是用TDA2030來制作音頻功率放大器原件。高效率的音頻功率放大器不僅僅是在便攜式設備中需要，在大功率的設備中也占有較大的比重。隨著人們居住條件的改善，高保真音響設備和高檔的家庭影院也逐漸興起。音頻功率放大器在這些設備中起到了很重要的作用。關鍵字：TDA2030功率放大電路、音頻功率放大器、高效率Abstract TDA2030 power amplifier circuit with small distortion, high power,

5、 which needs few components, simple fabrication, the advantages of good effect, can use it to make power computer amplifying part or MP4 small power is again appropriate however, this thesis is to make use of TDA2030 audio poweram

6、plifier original. Audio power amplifier with high efficiency is not only the need in portable devices, also account for a large proportion in high power devices. With the development of people's living conditions improve, high fide

7、lity audio equipment and high-end home theater also gradually on the rise. Audio poweramplifier plays a very important role in these devices.Keywords: TDA2030 power amplifier circuit, audio power amplifier, high efficiency目錄1前言11.1音頻放大器的發(fā)展11.2 音

8、頻放大器設計背景11.3 音頻放大器設計意義12任務與條件32.1初始條件32.2要求完成的主要任務32.3設計方案33選擇器件與參數運算43.1運放NE5532介紹43.2 TDA 2030介紹53.3功率計算64單元電路設計74.1主電源電路74.2調音電路74.3功率放大電路85電路設計仿真105.1仿真電路圖105.2仿真結果10總結12參考文獻131前言1.1音頻放大器的發(fā)展 上個世紀80 年代以前，輸出功率僅幾瓦的聲頻功率放大器都要采用分立元件來制作。進入80年代后，國內開始研制生產出一些小功率的功放IC，但由于這些功放IC的性能指標不佳，尤其是可靠性比較差，很快就被國外生產的功放

9、IC所取代。日本生產的HA1392、TA7240曾經是80年代用得非常普遍的功放IC。 HA1392與TA7240的輸出功率都只有4W 6W。意法SGS公司在80年代初開發(fā)生產的TDA2030A算是比較好的一款功放IC，它的輸出功率能夠達到12W以上。盡管SGS公司在TDA2030A基礎上又研制出 TDA2040、TDA2050功放IC，使輸出功率能夠達到24W，但由于它們的電源適用范圍只有±22V，如果使用未經穩(wěn)壓的整流濾波直流電供電，它們實際上都只能給4負載輸出12W功率。在90 年代以前，電子器件生產廠商提供的功放IC輸出功率實際都在30W以下。在經過10多年的努力后，美國NS

10、公司和意法SGS公司都在90年代期間相繼開發(fā)生產出多款輸出功率超過30W的功放IC芯片。其中，LM3876、LM3886是美國NS公司的代表作，TDA7294、TDA7295、 TDA7296是意法SGS公司的代表作。1.2 音頻放大器設計背景 音頻放大器的目的是在產生聲音的輸出元件上重建輸入的音頻信號，信號音量和功率級都要理想如實、有效且失真低。音頻范圍為約20Hz 20kHz，因此放大器在此范圍內必須有良好的頻率響應(驅動頻帶受限的揚聲器時要小一些，如低音喇叭或高音喇叭)。根據應用的不同，功率大小差異很大，從耳機的毫瓦級到TV或PC音頻的數瓦，再到“迷你”家庭立體聲和汽車音響的幾十瓦，直到

11、功率更大的家用和商用音響系統(tǒng)的數百瓦以上，大到能滿足整個電影院或禮堂的聲音要求。 1.3 音頻放大器設計意義在傳統(tǒng)晶體管放大器中，輸出級包含提供瞬時連續(xù)輸出電流的晶體管，實現音頻系統(tǒng)放大器許多可能的類型包括A類放大器，AB類放大器和B類放大器。與D類放大器設計相比較，即使是最有效的線性輸出級，它們的輸出級功耗也很大。這種差別使得D類放大器在許多應用中具有顯著優(yōu)勢，因為低功耗產生熱量較少，節(jié)省印制電路板面積和成本，并且能夠延長便攜式系統(tǒng)的電池壽命。另外，D類功率放大器工作于開關狀態(tài)，理論效率可達100%，實際的運用中也可達80以上，功率器件的耗散功率小，產生熱量少，可以大大減小散熱器的尺寸，連續(xù)

12、輸出功率很容易達到數百瓦，功率MOS有自我保護電路，可以大大簡化保護電路，而且不引入非線性失真。2任務與條件2.1初始條件可選元件：集成功放，電容、電阻、電位器若干；或自選元器件。直流電源±12V，或自選電源。可用儀器：示波器，萬用表，毫伏表等2.2要求完成的主要任務: （1） 設計任務 根據技術指標和已知條件，選擇合適的功放電路，如：OCL、OTL或BTL電路。完成對音頻功率放大器的設計、裝配與調試。（2）設計要求1 輸出功率10W/8；頻率響應2020KHz；效率>60；失真小。2 選擇電路方案，完成對確定方案電路的設計。3 利用Multisim仿真設計電路原理圖，確定電路

13、元件參數、掌握電路工作原理并仿真實現系統(tǒng)功能。4 安裝調試并按規(guī)范要求格式完成課程設計報告書。2.3設計方案 音頻功率放大器的作用是將聲音源輸入的信號進行放大，然后輸出驅動揚聲器。聲音源的種類有很多種，故輸出信號的電壓差別很大，從零點幾毫伏到幾百毫伏。一般動率放大器的輸入靈敏度是一定的，這些不同的聲音源信號如果直接輸入到功率放大器的話，對于輸入信號過低的，功率放大器功率輸出不足，不能充分發(fā)揮功放的作用；加入輸入信號的幅值過大，功率放大器的輸出信號將嚴重過載失真。這樣就失去了音頻放大的意義了，所以一個實用音頻功率放大系統(tǒng)必須設置前置放大器，以便使放大器適應不同的輸入信號，或放大，或衰減，或進行阻

14、抗變換，使其與功率放大器的輸入靈敏度相匹配。最后音頻放大器由前置放大器和音調控制電路和功率放大器三部分組成。如圖所示 3選擇器件與參數運算3.1運放NE5532介紹 NE5532是高性能低噪聲運放，與很多標準運放（如1458）相似，它具有較好的噪聲性能，優(yōu)良的輸出驅動能力及相當高的小信號與電源帶寬。 （1）小信號帶寬：10MHz； （2）輸出驅動能力：600，10V； （3）輸入噪聲電壓：5nV/HZ（典型值）； （4）DC 電壓增益：50000； （5）AC 電壓增益：10KHz 時2200； （6）電源帶寬：140KHz； （7）轉換速率：9V/S； （8）大電源電壓范圍：±3&

15、#177;20V。 極限參數： 電源電壓：Vs ±22V 輸入電壓：VIN ±V 電源V 差分輸入電壓：VDIFF ±5V 工作溫度范圍：TA 070 存貯溫度：TSTG -65150 結溫：Tj 150 功耗（5532FE）：PD 1000mW 引線溫度（焊接，10S） 300 直流電氣參數：如圖2 所示。 圖2直流電氣參數交流電氣參數如圖3所示 圖3交流電氣參數3.2 TDA 2030介紹 TDA 2030是一塊性能十分優(yōu)良的功率放大集成電路，其主要特點是上升速率高、瞬態(tài)互調失真小，在目前流行的數十種功率放大集成電路中，規(guī)定瞬態(tài)互調失真指標的僅有包括TDA 2

16、030在內的幾種。我們知道，瞬態(tài)互調失真是決定放大器品質的重要因素，該集成功放的一個重要優(yōu)點。 TDA2030A功率放大管利用三極管的電流控制作用或場效應管的電壓控制作用將電源的功率轉換為按照輸入信號變化的電流。因為聲音是不同振幅和不同頻率的波，即交流信號電流，三極管的集電極電流永遠是基極電流的倍，是三極管的交流放大倍數，應用這一點，若將小信號注入基極，則集電極流過的電流會等于基極電流的倍，然后將這個信號用隔直電容隔離出來，就得到了電流(或電壓)是原先的倍的大信號，這現象成為三極管的放大作用。經過不斷的電流及電壓放大，就完成了功率放大。 根據掌握的資料，在各國生產的單片集成電路中，輸出功率最大

17、的不過20W，而TDA 2030的輸出功率卻能達18W，若使用兩塊電路組成BTL電路，輸出功率可增至35W。另一方面，大功率集成塊由于所用電源電壓高、輸出電流大，在使用中稍有不慎往往致使損壞。然而在TDA 2030集成電路中，設計了較為完善的保護電路，一旦輸出電流過大或管殼過熱，集成塊能自動地減流或截止，使自己得到保護（當然這保護是有條件的，我們決不能因為有保護功能而不適當地進行使用）。 TDA2030集成電路的第三個特點是外圍電路簡單，使用方便。在現有的各種功率集成電路中，它的管腳屬于最少的一類，總共才5端，在焊接電路板的時候TDA2030A的管腳的分布對于焊接的時候很重要的，如果管腳的區(qū)分

18、有錯，直接會導致的功率放大器燒掉。通過查閱資料知道他的管腳分布為：漢字對著人，從左往右數為1 2 3 4 5 其中1 為同武相輸入端，2為反相輸入端，3為功率放大器的接地端，4為功率放大器額的輸出端，5為功率放大器的電源線的接入端。 TDA2030在電源電壓±14V，負載電阻為4時輸出14瓦功率（失真度05）；在電源電壓 ±16V，負載電阻為4時輸出18瓦功率（失真度05）。該電路由于價廉質優(yōu)，使用方便，并正在越來越廣泛地應用于各種款式收錄機和高保真立體聲設備中。該電路可供低頻課程設計選用。本設計采用3個TDA2030A芯片，其中一個放大左聲道，一個放大右聲道，一個放大低音

19、部分。3.3功率計算 計算輸出功率Po輸出功率用輸出電壓有效值V0和輸出電流I0的乘積來表示。設輸出電壓的幅值為Vom，則 因為Iom=Vom/RL，所以.當輸入信號足夠大，使Vim=Vom= Vcem= VCC- VCES VCC和Iom=Icm時，可獲得最大的輸出功率。 由上述對Po的討論可知，要提供放大器的輸出功率，可以增大電源電壓VCC或降低負載阻抗RL。 4單元電路設計4.1主電源電路 如圖5所示，采用交流雙12V，30W變壓器，市電從ACIN輸入，VCC和VSS給TDA2030A供電，Va和Vb給NE5532供電。整流部分采用單向橋式全波整流電路，在濾波電路中，采用電容濾波電路，

20、圖 5主電源電路4.2調音電路 本設計采用六個參數為50K的電位器。其中RP1A，RP1B調節(jié)低音區(qū)，RP2A，RP2B調節(jié)中低音，RP3A，RP3B調節(jié)音量。調音電路與功率放大電路用排線相連，數字一一對應相連。電路圖如圖6所示 圖6調音電路4.3功率放大電路 電路分左聲道，右聲道，以及低音區(qū)輸入，TDA2030構成雙電源互補對稱功放，放大電路之間相連采用RC耦合方式。NE5532是雙運放，分為兩個單運放連接于電路中。 NE5532電路如圖7所示。 圖7 NE5532電路 TDA2030單聲道電路如圖8所示。 圖8 TDA2030單聲道電路5電路設計仿真5.1仿真電路圖采用Multisim 1

21、1.0仿真電路，如圖9所示 圖9 Multisim 11.0仿真電路5.2仿真結果左右聲道輸入1kHz，1Vpp的正弦波，結果如圖10所示。 圖10 輸出結果總結這次的論文和設計是我這學期間干的最有意義的事之一。從最初的選題，開題到寫論文直到完成論文。其間，查找資料，與同學交流，反復修改論文，每一個過程都是對自己能力的一次檢驗和充實。通過這次實踐，我了解了音頻功率放大器用途及工作原理，熟悉了音頻功率放大器的設計步驟，鍛煉了設計實踐能力，培養(yǎng)了自己獨立設計能力。此次論文設計是對我專業(yè)知識和專業(yè)基礎知識一次實際檢驗和鞏固，同時也是走向工作崗位前的一次熱身。論文設計收獲很多，比如學會了查找相關資料相關標準，分析數據，提高了自己的制作能力。不過從開始的原理圖的確定上，遇到了一個難題，剛開始用LM386，但在查資料后發(fā)現它達不到輸出功率20W，所以用TDA2030單通道的功放。放假回到學校后就開始著手論文設計的制作，一步一步的做下來。等做好設計的時候才發(fā)現這是個美好的過程，也不枉費自己對這次設計和論文花的時間和精力。其實這么一次的鍛煉可以學到書本里許多學不到的知識，堅韌、獨