摘 要
随着社会的迅速发展，手机、MP4播放器、笔记本电脑、电视机、音响设备等给我们的生活和学习工作带来了不可替代的方便享受，而这些发声的电子产品中都要用到音频功放。因此本项目设计了一个音频功率放大电路，该电路具有对音频信号放大的功能。
功放是音响系统中最基本的设备，它的任务是把来自信号源（专业音响系统中则是来自调音台）的微弱电信号进行放大以驱动扬声器发出声音。在设计的过程中，首先对自己的设计思路有个整体的认识，即对音频功率放大器的原理了解，在查阅了很多资料，以及对实验器材有了初步了解以后，利用课本及一些资料上所描述的同相放大电路和甲乙类互补对称功率放大电路的基本知识，通过分析最后确定了下面的课程设计。
本课程设计的电路音频功率放大器主要由前置级、音调级、功率放大级3部分组成。前置级要求输入阻抗高、输出阻抗小、频带宽、噪声小;音调级对输入信号主要起到提升、衰减作用；功率放大级是音频功率放大器的主要部分，它决定输出功率的大小，要求输出功率高，输出功率大的特点。将功率集成块按一定方式组合，构成音频功率放大集成电路，其频响宽、噪声低、失真小。此外，由于运用TDA2030芯片已有的集成电路，可以大大简化了电路的制作过程。
关键词： 前置放大电路；音频功率放大器； TDA2030
目录
1 绪论 6
1.1 选题背景 6
1.1.1 音频功率放大器简述 6
1.1.2 了解TDA2030 7
1.2 系统方案论证 8
1.2.1原件选择 8
1.2.2原件清单 8
1.2 基本设计任务 9
1.2.1 设计技术参数 9
1.2.2 设计要求 9
2 总体设计 10
2.1 设计思路 10
2.2 Altium Designer原理图 12
2.3 pcb图 12
2.4 覆铜板焊接的注意事项 12
2.5 手工焊接操作的基本步骤 13
3 详细设计及仿真 14
3.1 multisim仿真原理图 14
4 总结 15
参考文献 16
1 绪论
选题背景
1.1.1 音频功率放大器简述
音响技术的发展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。
1906年美国的德福雷斯特发明了真空三极管，开创了人类电声技术的先河。1927年贝尔实验室发明了负反馈NFB（Negative feedback）技术后，使音响技术的发展进入了一个崭新的时代，比较有代表性的如“威廉逊”放大器，而1947年威廉逊先生在一篇设计Hi-Fi（High Fidelity）放大器的文章中介绍了一种成功运用负反馈技术，成为了Hi-Fi史上一个重要的里程碑。
60年代由于晶体管的出现，使功率放大器步入了一个更为广阔的天地。晶体管放大器细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点，各种电路也相应产生，如：“OTL （Output Transformer Less）” 无输出放大器、“OCL（Output Capacitor Less）”放大器等。
随着社会的迅速发展，手机、MP4播放器、笔记本电脑、电视机、音响设备等给我们的生活和学习工作带来了极大的便利与享受，成为我们身边不可或缺的电子产品。而这些电子产品中的发声都需要用到音频放大器。音频放大器就是可以将微弱的音频信号通过内部的放大电路将其放大，从而发出响亮的声音,其目的是在产生声音的输出元件上重建输入的音频信号，信号音量和功率级都要理想——如实、有效且失真低。音频是多媒体中的一种重要媒体。人能够听见的音频信号的频率范围大约是 60Hz-20kHz 其中语音大约分布在300Hz-4kHz之内，而音乐和其他自然声响是全范围分布的。而音频范围为约20Hz~20kHz，则放大器在此范围内必须有良好的频率响应。
音频放大器根据应用的不同，功率大小的差异也很大，从耳机的毫瓦级到电视音频的数瓦，再到“迷你”家庭立体声和汽车音响的几十瓦，直到功率更大的家用和商用音响系统的数百瓦以上，甚至大到可以满足整个电影院或礼堂的声音要求。因此，随着音频放大器的应用越来越广泛，我认为我们作为电子信息科学与技术的学生，很有必要去学习和了解音频放大器的简单模拟实现。
音频功率放大器是机电一体化产品中不可缺少的部分，也是其最基本的部分。随着时代的不断发展，音频功率放大器有越来越多种类和应用，在工业方面，有数控机床的电机驱动，有应用于新型磁轴承开关，也有在电力电子控制技术种的应用。在通讯方面，有几百毫瓦的蜂窝电话发射机、有基站几十瓦的功率放大器、也有上千瓦的电视信号发射机。但所有的音频功率放大器，其设计所遵循的基本规律几乎是相同的。而它的设计包含了电子电路技术、模拟控制理论、测试技术以及实现智能化的单片机控制技术等。因此以电子管音频功率放大器设计制作作为载体。实现兴趣与理论实践相结合，使整个设计过程不枯燥无味，从而既实现了对功率放大器的理论学习，又进行一次高性能智能型产品设计。同时，通过实际设计与制作音频功率放大器，可以进一步发挥和巩固自身专业所学的知识，在实践中锻炼自己，在锻炼中提高自己专业水平。
1.1.2 了解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，在目前流行的数十种功率放大集成电路中，规定瞬态互调失真指标的仅有包括TDA 2030 在内的几种。我们知道，瞬态互调失真是决定放大器品质的重要因素，该集成功放的一个重要优点。
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。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18W，若使用两块电路组成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，集成块能自动的减流或截止，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，外型如同塑料大功率管，这就给使用带来不少方便。
TDA2030 在电源电压±14V，负载电阻为4Ω时输出14W功率（失真度≤0．5％）；在电源电压 ±16V，负载电阻为4Ω时输出18W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。
TDA2030是飞利浦公司生产的，实物图如图1。
图1.TDA2030实物图
1.2 系统方案论证
由于TDA2030具有输出电流大，谐波失真小；具有输出对地短路保护功能；自动限制功耗，保护输出晶体管工作在安全工作区；内置过热保护电路；因此应用TDA2030制作音频功率放大器所需要的元件很少，但是所选的元件必须是品质有保障的元件。
1.2.1原件选择
（1）电阻：RP为碳膜电位器 R1,R2,R3为碳膜电阻，额定功率为1/8W R4为碳膜电阻，额定功率为1/4W
（2）电容：C1,C2为电解电容器，耐压为16V C3,C4,C5为瓷介电容。
（3）二极管：VD1,VD2为1N4001小功率整流二极管。
（4）扬声器：考虑到输出功率为15W时。可能会烧坏，选择3W8Ω的扬声器。
1.2.2原件清单
如表2。
表2 音频功放电路元件清单表
名称
规格
数量（片）
电阻
1Ω1/8W
1*4
680Ω1/8W
1*4
22KΩ1/8W
2*4
电容
C1,C2为电解电容器，耐压为16V
0.1 uF
2*4
0.22 uF
1*4
1 uF，耐压为16V
1*4
22 uF，耐压为16V
1*4
100 uF
1*4
三脚电位器
10k
1*4
二极管
IN4001
2*4
集成功放
TDA2030
1*4
扬声器
3W/8Ω
1*4
基本设计任务
1.2.1 设计技术参数
（1）当Vcc =+18、-18A时,RL=4Ω。
（2）当RL=4时,THD=0.5%；当RL=8时,THD=0.5%。
（3）当Po=12w时,RL=4。
（4）当电路开环时，f=1kHz。
（5）当Po=0.1-12W时,RL=4。
1.2.2 设计要求
（1）输入阻抗高、输出阻抗小、频带宽、噪声小。
（2）输入信号可以起到提升、衰减作用。
（3）输出功率高，输出功率大于10W。
2 总体设计
2.1 设计思路
音频功率放大器主要由前置级、音调级、功率放大级3部分组成。前置级要求输入阻抗高、输出阻抗小、频带宽、噪声小;音调级对输入信号主要起到提升、衰减作用；功率放大级是音频功率放大器的主要部分，它决定输出功率的大小，要求输出功率高，输出功率大的特点。
将功率集成块按一定方式组合，构成音频功率放大集成电路，其频响宽、噪声低、失真小。运用TDA2030已有的集成电路，可以大大简化了电路的制作过程。
由图2可知，TDA2030的输出功率大于10W，频率响应为10～1400HZ，输出电流峰值最大可达3.6A。
图2 TDA2030电气参数
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，可确保电路安全可靠。 其典型应用电路如图3所示。
图3 TDA2030典型应用电路
TDA2030具有负载泄放电压反冲保护电路，如果电源电压峰值电压40V的话，那么在5脚与电源之间必须插入LC滤波器，以保证5脚上的脉冲串维持在规定的幅度内。结合课程设计得要求，在图2的基础上，增加了电路的音量调节功能并增大了电路的信号放大倍数，设计原理图如图4示。
图4 电路设计原理图
2.2 Altium Designer原理图
2.3 pcb图
2.4 覆铜板焊接的注意事项
手工锡焊接技术是一项基本功，就是在大规模生产的情况下，维护和维修也必须使用手工焊接。因此，必须通过学习和实践操作练习才能熟练掌握。注意事项如下：
手握铬铁的姿势掌握正确的操作姿势，可以保证操作者的身心健康，减轻劳动伤害。为减少焊剂加热时挥发出的化学物质对人的危害，减少有害气体的吸入量，一般情况下，烙铁到鼻子的距离应该不少于 20cm ，通常以 30cm 为宜。
电烙铁有三种握法：
1.反握法的动作稳定，长时间操作不易疲劳，适于大功率烙铁的操作；正握法适于中功率烙铁或带弯头电烙铁的操作；一般在操作台上焊接印制板等焊件时，多采用握笔法。
2. 焊锡丝一般有两种拿法。由于焊锡丝中含有一定比例的铅，而铅是对人体有害的一种重金属，因此操作时应该戴手套或在操作后洗手，避免食入铅尘。
3. 电烙铁使用以后，一定要稳妥地插放在烙铁架上，并注意导线等其他杂物不要碰到烙铁头，以免烫伤导线，造成漏电等事故。
2.5 手工焊接操作的基本步骤
掌握好电烙铁的温度和焊接时间，选择恰当的烙铁头和焊点的接触位置，才可能得到良好的焊点。正确的手工焊接操作过程可以分成五个步骤：
⑴ 步骤一：准备施焊
左手拿焊丝，右手握烙铁，进入备焊状态。要求烙铁头保持干净，无焊渣等氧化物，并在表面镀有一层焊锡。
⑵ 步骤二：加热焊件
烙铁头靠在两焊件的连接处，加热整个焊件全体，时间大约为 1 ～ 2 秒钟。对于在印制板上焊接元器件来说，要注意使烙铁头同时接触两个被焊接物。
⑶ 步骤三：送入焊丝
焊件的焊接面被加热到一定温度时，焊锡丝从烙铁对面接触焊件。注意：不要把焊锡丝送到烙铁头上！
⑷ 步骤四：移开焊丝
当焊丝熔化一定量后，立即向左上 45° 方向移开焊丝。
⑸ 步骤五：移开烙铁
焊锡浸润焊盘和焊件的施焊部位以后，向右上 45° 方向移开烙铁，结束焊接。从第三步开始到第五步结束，时间大约也是 1 至 2s 。
3 详细设计及仿真
3.1 multisim仿真原理图
仿真图如图5。
图5 原理图
其中RP是音量调节电位器，C1是输入耦合电容，R1是TDA2030同相输人端偏置电阻。R2, R3决定了该电路交流负反馈的强弱及闭环增益。该电路闭环增益为(R2+R3)/R2=(0.68+22)/0. 68=33. 3倍，C2起隔直流作用，以使电路直流为100%负反馈。静态工作点稳定性好。
C4,C5为电源高频旁路电容，防止电路产生自激振荡。R4、R5组成茹贝尔网路，用以在电路接有感性负载扬声器时，保证高频稳定性。VDI、VD2是保护二极管，防止输出电压峰值损坏集成块TDA2030。
4 总结
通过这一次课程设计，我深刻明白了从电路设计，电路仿真，实际焊接测量的每一个过程，也深刻明白了电路制作的不容易。这次电路的设计也基本能满足要求，在输入信号段输入不同的信号，输出端的喇叭会发出不同的响声，当在输入端接上音乐时，当输出端连接想起悦耳的音乐时，说明设计成功。虽然实现非常的简单，电路容易理解，实验容易进行，能够尽少的减小实验的成本，而且这种方案的主要器件有自我保护的措施，能够更好的保护实验器件，减少不必要的损失。但是如果仅从对功率放大器性能的完美追求上去考虑，还可以把许多只功率放大管并联起来工作获得更高的性能。然而这乃是在用高投入成本来获得实际效果增加不多。事实上，当人们把功率放大器的输出功率设计得很巨大时，它也成为中高音单元喇叭的致命杀手。而且使用级后分频方式，在使用到高中低三个单元喇叭的情况下就开始明显表现不佳，级后分频方式仅能在二分频情况下表现得比较良好。只有改为采用级前分频方式来设计制作音频功率放大器，才能从根本上克服级后分频的缺点，并根据不同工作频带范围要求选用适合的器件，以最少的制造成本获得最高的效果，本次用功放芯片能基本满足课题要求。
在课程设计中我还明白了自己还有很多很多的不足，在设计电路时也会遇到很多的问题。但是，通过这一次的设计，让我能够自己亲自应用一次所学的专业知识、专业技能分析和解决问题的全面系统的锻炼。使我能够在综合知识的选用方面，在产品开发的基本思想、方法方面，以及在常用电路分析思路技巧的掌握方面都能向前迈了一大步。为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。这次在指导老师的帮助下，在同学的帮助下，基本上完成了设计任务，在电路分析与设计方面也有了一定的提高，今后在这次的课程设计中，让我深深地体会到进行电子产品的开发不是一件简单的事情，它需要设计者具有全面的专业知识、缜密的思维、严谨的工作态度以及较高的分析问题、解决问题的能力。所以，在今后的专业学习中，我需要更加的努力，把专业知识学得牢固扎实，并多动手参与制作，提高自己的实践动手能力，为今后的走上工作岗位打下了专业基础。
最后，我要衷心感谢老师在我的课程设计中给予我的极大帮助，使我能够明白自己的不足，争取今后更大的进步。
参考文献
[1] 康华光．《电子技术基础（模拟部分）》（第四版）．武汉：高等教育出版社，2005.7
[2] 高吉祥 《模拟电子技术电子》工业出版社，2004
[3] 彭介华 电子技术课程设计指导》高等教育出版社，2002
[4] 陈大钦《电子电路实验、设计、仿真》高等教育出版社，2002
[5] 童诗白、华成英 《模拟电子技术基础》高等教育出版社，2006.5
联系客服
