毕业设计621AV音频功率放大器设计与制作张翼.docx
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毕业设计621AV音频功率放大器设计与制作张翼
目录
摘要：
1
关键字：
1
序言2
第一章课题概况3
§1.1课题设计要求3
§1.2毕业设计目的3
第二章音响技术简介4
§2.1人耳的听觉特性4
§2.2高保真度4
第三章高保真音响的原理介绍6
§3.1设计思路6
§3.2滤波器的介绍6
§3.3功率放大器的介绍6
§3.4音频功率放大器8
§3.5电源13
第四章焊接与调试14
§4.1电路的焊接14
§4.2电路的调试14
第五章全文总结和展望15
§5.1总结15
§5.2展望15
致谢16
参考资料17
附录18
2.1AV音频功率放大器设计与制作
信电0401班15号张翼
摘要：
2.1AV有源音箱是音频功率放大器和扬声器的有机组合体，是居室不太宽敞的家庭和广大音响爱好者很喜欢的一种机型。
特别是家用电脑的应用与普及，成为了现代家居环境选择的热衷产品之一。
本文介绍一款正是为多媒体音箱开发的2．1AV音频功率放大器，系统主要元件由集成电路组成，功率放大采用了五脚排列的功率运算放大器进行了设计与制作，它们不仅担当了功率放大器的重任，还起到了滤波器的作用，重低音回路主要由LM1875集成功放块和NE5532运算放大器等组成，而左右声道则是由TDA2030A集成功放块等组成，它线路简洁、性能优异、应用广泛，可直接接各种家庭有源设备，如随身听、CD唱机、个人电脑等。
关键字：
2.1AV音频功率放大器集成电路LM1875TDA2030
序言
人们总是喜欢用听音乐的方式来放松工作中的疲劳，或者欢聚庆祝，或者陶冶情操。
随着改革开放的深入，经济的快速增长和城市规模的不断扩大，人类的生活水平也都相应的提高了，人们懂得了听音乐来缓解生活中所带来的各种巨大压力，通过解放神经来提高自己的生活水平，如今的市场上有着许许多多，琳琅满目的音响品牌，具体那些好，商家各执一词，消费者也很难选择，因此，通过此次设计，可以解决消费者难以选择的麻烦，直接自己动手制作，了解音响的结构和特点，不光扩大了自己的知识面，从制作到完成作品，最后欣赏自己的作品，简直有种说不出的美妙感觉，从而提高自己的生活水平。
2.1AV有源音响是音频功率放大器和扬声器的有机组合体。
放大器置于音响内部，结构紧凑、价格低廉、系统消耗低、占用空间小，是居室不太宽敞的家庭和广大音响爱好者较喜欢的一种机型。
这种音响可直接接各种家庭有源设备（如随身听、CD唱机、收音机、录像机、电视机、影碟机等），有的还设有开机延时和扬声器保护电路，消除开机喇叭冲击噪声，解除了烧坏喇叭的后顾之忧。
全部电路由集成电路组成，无须调试，还给业余制作提供了可靠保障。
第一章课题概况
§1.1课题设计要求
本次毕业设计要求设计与制作一款适合电脑多媒体2.1音箱的有源功率放大器，系统包括重低音功率放大器、左右声道功率放大器、音量调节、电源等组成。
性能主要指标：
额定输出功率：
低音≥10W；中高音≥2*5W
频率响应：
低音40HZ——250HZ；中高音200HZ——20KHZ
谐波失真：
≤0.2%（1W，1KHZ）≤0.5%（1W，100HZ）
输入灵敏度：
600mV（1000HZ，额定输出时）
信噪比：
≥85dB（A）
§1.2毕业设计目的
通过本次设计，其目的是让我们掌握低频电子线路的设计与应用，可以促进我们的全面发展，使我们的思想品质、工作态度、工作作风得到充分的提高与完善，为今后从事相应工作打下扎实的基础。
第二章音响技术简介
§2.1人耳的听觉特性
音响系统放音的最终目的是让人们的耳朵逼真地听清楚讲话声或高质量地欣赏各种不同类型和风格的音乐或戏剧。
因此人的耳朵对所听声音的主观感觉是评价音质好坏的唯一标准。
但是人们对于音质的评价往往又容易受到民族风格、文化程度、生活习惯和个人爱好等各种因素的影响，因此不同的人对相同音质的声音评价的结论往往是不完全一致。
为了更深入地了解人类对声音的主观感受，人们将声音的各种客观特性在人类听觉上所能形成的主观感觉进行了研究，在分析这些感觉的基础上探索综合的评价标准。
人们对于声音的主观感觉可以分别对应声音在幅度领域、频率领域、时间领域和空间领域的各种物理特性，事实证明在这四方面的物理特性对声音的主观感觉不是简单地不相关，而是彼此相互影响的。
而影响人类对声音的主观感觉包括以下几种：
（1）、对声音幅度大小的主观感觉。
（2）、对声音频率高低的主观感觉。
（3）、对声音时间长短的主观感觉。
（4）、对声音空间方位的主观感觉。
（5）、对噪声的主观感觉。
§2.2高保真度
人们利用放音系统放音的最终目的是供自己欣赏或传递信息。
而人类的听觉是相当复杂的过程，它牵涉到心理声学和生理声学等一系列有关的问题。
然而不管怎样，对放音系统本身的放音质量要求却是一致的。
由此，人们对放音系统提出了高保真度的要求。
所谓高保真度即是要求放音系统能准确记录并重放节目的原有的声学特性，也就是借助与高质量的电声设备并利用人们听觉的有限辨别力重现实况演出的主要升学特征，使听音者主观上不引起失真的感觉。
要想达到电声系统的高保真度，就必须对放音系统的技术指标进行严格控制。
早期，放音系统的三大技术指标是：
频率特性（即频率响应）、谐波失真和信号噪声比。
后来随着高保真技术的发展，又提出了互调失真和相位失真这两个指标。
近年来，人们对放音系统和设备的瞬态技术指标也提出了更高的要求，因为在某种意义上来说几乎所有的音乐、语言信号都可以看作为是时刻不断在变化着的瞬态信号，所以放音设备的瞬态失真这两个指标也成了高保真放音系统极其重要的技术指标。
具体来说，对于放音系统中的功率放大器而言，除了上述各项技术指标外，它的阻尼系数指标也是一个很重要的技术指标。
而对于扬声器、传声器、耳机等一系列电声器件来说，则除了上述各项指标外，还需要注意它们的指向性、灵敏度、效率等各项技术指标。
总之，对一个具有高保真度放音系统来说，它要求有较宽的频响，尽可能小的各种失真，而且要求在有足够高信噪比的前提下，动态范围尽可能的大。
人耳的辨别力和允许畸变量如表2.1
表2.1人耳的辨别力和允许畸变量
说明
特性
声压级辨别力
1dB
频率辨别力
1000HZ以下为3HZ，1000HZ以上△f/f=0.003
方位辨别力
3°
时差辨别力
0.02s
高频范围变窄
上限8500HZ，大约有50%听众感觉到
低频范围变窄
下限100HZ，30%听众感觉到；下限150HZ，50%听众感觉到
频率范围变窄
带宽50～10000HZ，大约有30%～35%听众感觉到
频率范围的平衡感觉
f高*f低≈500000
峰谷的频率失真
在200HZ以下，15000HZ以上基本感觉不出，在150～200HZ，6～8KHZ范围内5dB的峰或谷有50%听众感觉到
失真辨别力
纯音为0.5%，音乐为2%
允许非线性失真
对40～14000HZ，7.5%三次谐波有50%听众感觉到，对200～4000HZ，14%三次谐波有50%听众感觉到
允许频率畸变
高低频同时衰减10dB，有65%听众感觉到
注：
在实验研究中，通常15%～30%的受试者感觉到的畸变定义为“实际上不能感觉到”，它相应于在通常条件小感觉不到畸变。
第三章高保真音响的原理介绍
§3.1设计思路
本系统为2.1声道功率放大输出，左右声道信号源Lin和Rin经高通滤波器，送至各左右声道功率放大器，最后馈至左右声道扬声器；重低音通道由Lin和Rin混合至带通滤波器，再经功率放大器送至重低音扬声器。
方案见图3.1所示。
图3.1系统方案图
§3.2滤波器的介绍
一、高通滤波器
高通滤波器是指功放中能够让中、高频信号通过而不让低频信号通过的电路，其作用是滤去音频信号中的低音成分，增强中音和高音成分以驱动扬声器的中音和高音单元。
此外高通滤波器常常和低通滤波器成对出现，不论哪一种，都是为了把一定的声音频率送到应该去的单元。
二、低通滤波器
低通滤波器是指功放中能够让低频信号通过而不让中、高频信号通过的电路，其作用是滤去音频信号中的中音和高音成分，增强低音成分以驱动扬声器的低音单元。
由于功放大部分都是全频段功放，通常采用AB类放大设计，功率损耗比较大，所以滤除低频段的信号，只推动中高频扬声器是节省功率、保证音质的最佳选择。
此外高通滤波器常常和低通滤波器成对出现，不论哪一种，都是为了把一定的声音频率送到应该去的单元。
三、带通滤波器
所为带通就是让它们在规定频率范围内通过高通滤波器+低通滤波器=带通滤波器。
比如:
600Hz-5KHz的带通滤波器先做一个600Hz的高通滤波器,再做一个5KHz的低通滤波器,让通过的频率在高通滤波器中滤掉600Hz以下的频率,然后经过低通滤波器滤波器滤掉5KHz以上的频率,剩下的就是600Hz-5KHz的频率的了!
"高阻滤波器+低阻滤波器=带通滤波器"的原理同理。
§3.3功率放大器的介绍
功率放大器简称功放，可以说是各类音响器材中最大的一个家族了，其作用主要是将音源器材输入的较微弱信号进行放大后，产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放。
由于考虑功率、阻抗、失真、动态以及不同的使用范围和控制调节功能，不同的功放在内部的信号处理、线路设计和生产工艺上也各不相同。
以其主要用途来说，功放可以分做两大类别，即专业功放与家用功放。
在体育馆场、影剧场、歌舞厅、会议厅或其它公共场所扩声，以及录音监听等场所使用的功放，一般说在其技术参数上往往会有一些独特的要求，这类功放通常称为专业功放。
而用于家庭的Hi－Fi音乐欣赏，AV系统放音，以及卡拉OK娱乐的功放，通常我们称为家用功放。
本期只介绍跟我们家庭息息相关的家用功放。
一、按器材分类
按电路所用的器材分类，功放可以分为电子管放大器、晶体放大器和集成电路放大器。
电子管放大器（俗称“胆机”）采用电子管作为放大器，其主要优点是动态范围大、线性好、音色甜美悦耳。
但电子管功放也存在两个问题，一是内阻大导致放大器阻尼系数小，影响瞬态特性，二是电子管需高压供电，离不开变压器，变压器不仅功耗大、体积大，还会导致失真。
克服电子管功放的两个缺点，晶体管放大器阻尼系数可做得很高，有良好的瞬态特性，在声音的节奏感、力度上要比胆机明快、爽朗、有力；而且无需变压器，不仅节省成本，缩小体积，而且避免了由变压器所引起的失真。
最后一种是集成电路放大器，它最突出的优点是可靠性高、外围电路简单、组装方便，不足之处是电声指标（功率、频响、失真度、信噪比等）和音质皆不如前两类放大器。
二、按功能分类
按照功能分类，功放可以分为前级功放、后级功放和合并式功放。
1、前级功放
主要作用是对信号源传输过来的节目信号进行必要的处理和电压放大后，再输出到后级功放。
它就像铁路岔道一样，控制切换哪一路音源信号接入功放，哪一路音源信号与功放断开。
2、后级功放
后级功放是进行单纯功率放大的部分，它的作用就是尽可能原原本本地放大来自于前级的信号，我们对后级的要求是，放大倍数尽可能高，而放大后信号的失真程度应尽可能低。
除放大电路外，还设计有各种保护电路，如短路保护、过压保护、过热保护、过流保护等。
这两类功放一般只在高档机采用。
3、合并式放大器
合并式放大器，将前级放大器和后级放大器合并为一台功放，兼有前二者的功能，通常所说的放大器都是合并式的，应用的范围较广。
一般来看，合并式功放的功率较前、后级功放小，重放的效果也比前、后级功放差，但合并式功放价钱较便宜，且使用方便，完全能够满足一般的家庭需要。
三、按用途分类
就功放的用途来区分，家用功放分为Hi－Fi功放和AV功放。
1、Hi－Fi功放
Hi－Fi是英语High－Fidelity 的缩写，意指高度保真，即纯音乐功放，是音乐发烧友的最爱。
Hi－Fi功放的输出功率大都在2×150瓦以下。
Hi－Fi在设计上强调最低的信号失真，忠实地表现出音乐的场面、细节和演奏、录制的技巧等来满足人们对音乐的最佳欣赏要求。
一般用于Hi－Fi的功放都是胆机。
Hi－Fi功放就扩声形式而言，只适用于两声道立体声的重播。
2、AV功放
AV功放是Audio&Video的缩写，即影音功放，它能同时连接5－6个音箱（左右主音箱、中置音箱、左右环绕音箱、超重低音）并驱动它们发出声音。
AV功放从诞生到现在，经历了杜比环绕，杜比定向逻辑，AC－3，DTS（均是音频解码方式）的发展进程。
AV功放与普通功放的区别，在于AV功放有AV选择杜比定向逻辑解码器，AC－3，DTS解码器和五声道功率放大器，以及画龙点睛的数字声场DSP电路。
鉴于欣赏碟片中多声道录音效果的需要，AV功放的每声道功率输出也会不同，一般来说主声道功率最大，中置次之，环绕最小，这方面的代表是带有杜比定向逻辑环绕声放的功放。
为了增加使用乐趣，大多数AV功放都附有DSP，为各种节目播放提供不同的声场效果。
本次制作功放部分采用高保真集成块电路采用TDA2030与LM1875，该集成电路外围电路极其简洁，而且还有过热、静噪、短路等保护电路。
§3.4音频功率放大器
一、重低音放大电路
重低音放大电路主要由LM1875功率集成块及NE5534运放等元器件组成，电路原理如图3.2所示
1、LM1875音频功率放大器
LM1875是单片功率放大器，LM1875采用TO-220封装结构，形如一只中功率管，体积小巧，外围电路简单，且输出功率较大，为消费者在音频应用场合提供非常低失真度和高品质的性能。
LM1875采用±25V电源供电，能够输出20W功率，驱动4或8欧姆负载，采用±30V电源供电时，能够输出30W功率，驱动8欧姆负载。
放大器具有最少的外围元件，保护电路包括内部电流限制和热关断，该集成电路内部设有过载过热及感性负载反向电势安全工作保护。
LM1875采用先进的电路设计技术，可达到极小的失真度，即使在大输出功率电平时也是如此。
LM1875还具有高增益、快速转速率、宽功率带宽、大输出电压摆幅、大电流能力和非常宽的电源范围等特性，放大器采用内部补偿，使之在增益10或更高时均能稳定。
LM1875可用于高品质音频系统、电桥放大器、立体声唱机、伺服系统放大器、仪器放大器等。
LM1875主要参数：
典型工作电压：
±25V
静态电流：
50mA
输出功率：
25W
谐波失真：
＜0.02%，当f=1kHz，RL=8Ω，P0=20W时
转换速率：
18V/μS
图3.2LM1875音频功率放大器电路图
2、有源低通滤波器（LPF）
（1）、低通滤波器的主要技术指标
通带增益Avp
通带增益是指滤波器在通频带内的电压放大倍数。
性能良好的LPF通带内的幅频特性曲线是平坦的，阻带内的电压放大倍数基本为零。
通带截止频率fp
其定义与放大电路的上限截止频率相同。
见图自明。
通带与阻带之间称为过渡带，过渡带越窄，说明滤波器的选择性越好。
（2）、有源滤波器运算放大器的应用
有源滤波器是由RC元件及运算放大器组成，本课题选用了NE5532运算放大器及RC网络组成有源滤波器，NE5532运算放大器具有优良的性能，主要指标如下：
（1）、等效输入噪声电压5nV/根号Hz典型值@1kHz
（2）、单位增益带宽10MHz典型值
（3）、共模抑制比100dB典型值
（4）、高dc电压增益100V/mV典型值
（5）、峰－峰电压波动32V典型值，VCC±＝±18V和RL＝600欧姆
（6）、高转换速度9V/us典型值
（7）、电源电压范围宽±3V至±20V
（3）、简单一阶低通有源滤波器
一阶低通滤波器的电路如图3.3所示，其幅频特性见图3.4，图中虚线为理想的情况，实线为实际的情况。
特点是电路简单，阻带衰减太慢，选择性较差。
图3.3一阶低通滤波器电路图3.4一阶低通滤波器电路幅频特性
当f=0时，各电容器可视为开路，通带内的增益为
一阶低通滤波器的传递函数如下
其中
该传递函数式的样子与一节RC低通环节的频响表达式差不多，只是后者缺少通带增益Avp这一项。
（4）、简单二阶低通有源滤波器
为了使输出电压在高频段以更快的速率下降，以改善滤波效果，再加一节RC低通滤波环节，称为二阶有源滤波电路。
它比一阶低通滤波器的滤波效果更好。
二阶LPF的电路图如图3.5所示，幅频特性曲线如图3.6所示：
图3.5二阶LPF的电路图图3.6二阶LPF的幅频特性曲线
二、左右声道放大电路
左右声道放大电路主要由TDA2030功率集成电路组成，并应用了无源RC滤波器作为通道的传输。
1、TDA2030音频功率放大器
TDA2030音频功放电路，采用V型5脚单列直插式塑料封装结构。
（如图3.7）所示，按引脚的形状引可分为H型和V型。
该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，具有体积小、输出功率大、失真小等特点。
并具有内部保护电路。
意大利SGS公司、美国RCA公司、日本日立公司、NEC公司等均有同类产品生产，虽然其内部电路略有差异，但引出脚位置及功能均相同，可以互换。
图3.7TDA2030集成块外形图
TDA2030极限参数：
电源电压（Vs）±18V输入电压（Vin）VsV差分输入电压（Vdi）±15V峰值输出电流（Io）3.5A耗散功率（Ptot）（Vdi）20V工作结温（Tj）-40～+150℃存储结温（Tstg）-40-+150℃。
典型应用电路如图3.8所示。
图3.8TDA2030典型应用电路图
注意事项：
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。
热保护：
限热保护有以下优点，能够容易承受输出的过载（甚至是长时间的），或者环境温度超过时均起保护作用。
与普通电路相比较，散热片可以有更小的安全系数。
万一结温超过时，也不会对器件有所损害，如果发生这种情况，Po=（当然还有Ptot）和Io就被减少。
印刷电路板设计时必须较好的考虑地线与输出的去耦，因为这些线路有大的电流通过。
装配时散热片与之间不需要绝缘，引线长度应尽可能短，焊接温度不得超过260℃，12秒。
虽然TDA2030所需的元件很少，但所选的元件必须是品质有保障的元件。
2、无源滤波器的应用
根据人耳声学特点，200Hz以下的低频信号，对人的听觉而言是辨别不出方向的，所以在2.1AV音响设计时，也没必要让左右声道音响设备进行工作，而完全按左右声道音响设备最佳工作状态来进行设计，只满足200Hz-20KHz信号输出要求即可，免除不必要的设备投资和资金的浪费。
另外，在整个音频频带内，音响设备承担的功率大小是不一样的，特别是中高音扬声器，其额定功率比较小，不能承受大功率信号的冲击，尽量不要输入200Hz以下的大幅度信号，所以在放大器的前级特设置了无源高通滤波电路，以滤除200Hz以下的信号，只适应200Hz-20KHz信号放大输出。
图3.9是一个二阶高通无源滤波器。
图3.9二阶高通无源滤波器电路图
§3.5电源
电源系统通常由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路等构成。
电源变压器将电网提供的交流电压变换到电子线路所需的交流电压范围，同时还可起到直流电源与电网的隔离作用，可升压也可降压。
整流电路将变压器变换和交流电压变为单向脉动直流电压。
滤波电路对整流输出的脉动直流进行平滑处理。
稳压电路将滤波输出的直流电压进行调节，以保持输出电压的基本稳定。
出于我们对电路的选择，还有考虑到LM1875TDA2030NE5532的特性，我们选择输入为220V交流电压，经整流桥堆整流后输出±25V直流电压供功率放大器工作。
然后经RC降压滤波输出±15V给运算放大器供电。
电路如图3.10所示。
图3.10电源工作原理图
第四章焊接与调试
§4.1电路的焊接
在将所有的器件焊接到板子上以前，脑子必须时刻保持清醒，设计好接下来的每一个工作步骤，错误的方法将使前面所有的工作变的徒劳。
1、准备器件：
理好要焊接的器件，分类放好（可以在拿到pcb以前准备好）；
2、外观检查：
拿到PCB后首先用肉眼检查一下，看是否存在瑕疵（短路、断路等，工程样板特别容易出现这些问题），是否存在的设计的缺陷并作好记录，然后找出一块外观特别好的板子作为焊接的板子。
3、测量短路：
测量电源的进线与出线是否与地短路（正常的电阻应该无穷大），如果板子上有多个电源，每个电源都需要测量一下；
4、开始焊接电源并测试：
先焊接好总电源，然后进行测试，检查电源是否正常，然后再焊其它电源并分别进行测试；
5、开始焊接主要器件：
开始焊接主器件，并且边焊接边测试各个电源与地是否存在短路现象，焊接好一部分（功能模块）后立即进行测试，待正常后再焊接下一部分，直到所有的器件都焊接完毕；
§4.2电路的调试
2.1AV有源音响功放板调试特别简单，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零件，如电解电容，桥式整流堆，一旦焊反即有烧毁元器件之险，请特别注意。
接上变压器，放大器的输出端先不接扬声器，而是接万用电表，最好是数显的，万用表置于DC*2V档。
功放板上电注意观察万用电表的读数，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的范围内，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。
值得一试的实验：
将负反馈取样电容短路，用万用表测LM1875与TDA2030输出端的直流电位，看是否是在30MV以内，然后接上音箱试两小时，用万用表测LM1875输出端的直流电位，看直流电位是否在30MV以内，如果是的话，则表明该功放板功能基本正常，第一步静态调试成功，此放大板就成一个纯直流功放了。
然后就是动态调试,先输入信号源1000Hz,用示波器测到此时输出波形电压有效值为U=17V，看示波器上的波形是否失真,然后测失真度,最后接上8Ω扬声器，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，就可以听到各种频率变化时，所输出来的悦耳的声音了，这就是高保真的效果。
第五章全文总结和展望
§5.1总结
对于我们专业来说，实际能力的培养至关重要，而这种实际能力的培养单靠课堂教学是远远不够的，必须从课堂走向实践。
通过这次的设计，我更拓宽了知识面，锻炼了能力，综合素质得到较大提高，安排此次设计的基本目的，在于通过理论与实际的结合、人与人的沟通，进一步提高思想觉悟。
尤其是观察、分析和解决问题的实际工作能力，以便培养成为能够主动适应社会主义现代化建设需要的高素质的复合型人才。
§5.2展望
本次的设计基本达到了预期的目的和要求，但是还有很多不足之处，科技越来越发达，在音响设计这一领域还有许多值得我们去拓展的地方，如今的市场音响产品多的数不胜数，随着人们的需求，市场的供应，在今后数年里，如何设计制作应用更广泛，性价比更实在的产品，才是重中之重。
从电路设计着手，可以从反馈方式入手，本电路采用了电压负反馈，也可以用电流反馈放大驱动，因为扬声器最终声音输出，完全是其盆的运动，而运动靠的是力F，F又与驱动的电流是线性的（F=BLI），所以电流负反馈更具有扬声器盆运动的线性控制，也更有利于声音的线性输出。
具体方法可以在扬声器回路串接一个小电阻，将小电阻两端电压作为反馈信号取出，这样做还可以大大减少了扬声器反电动势的影响，特别是对低音的大电感量控制，带
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