功放课程设计.docx

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功放课程设计

模拟电子技术课程设计报告

1.设计题目:

音频功率放大电路

2.设计任务和要求:

要求：

设计并制作一个音频功率放大电路（电路形式不限），负载为扬声器，阻抗8

。

基本指标：

频带宽50HZ～20kHZ，输出波形基本不失真；电路输出功率大于2W；

输入灵敏度为100mV。

3.整体电路设计

3.1.1功率放大器：

从能量控制和转换的角度看，功率放大器与其他放大电路的本质上没有根本的区别，只是功放既不是单纯追求输出高电压，也不是单纯追求输出大电流，而是追求在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。

3.1.2功率放大电路的主要指标：

功率放大电路的主要技术指标为最大输出功率和转换效率。

3.1.3功率放大器的类型：

常见的功率放大器有：

A类（甲类）放大器，A类（甲类）放大器，是指电流连续地流过所有输出器件的一种放大器；B类（乙类）放大器，B类（乙类）放大器，是指器件导通时间为50％的一种工作类别；AB类（甲乙类）放大器，AB类（甲乙类）放大器，实际上是A类（甲类）和B类（乙类）的结合，每个器件的导通时间在50—100％之间，依赖于偏置电流的大小和输出电平，该类放大器的偏置按B类（乙类）设计，然后增加偏置电流，使放大器进入AB类（甲乙类）；C类（丙类）放大器，C类（丙类）放大器，是指器件导通时间小于50％的工作类别。

除了以上4类常见的类型外，其实还有其他的类型，在这就不一一列出。

3.2.1方案比较与选择

1.运用晶体管设计。

下面是一个用晶体管设计的15W纯甲类功率放大器。

电路分析如下，实验电路看如图1。

图1

由VT1、VT2组成差动放大电路。

R3为VT1的集电极负载电阻，VT1与推动级VT4之间为直接耦合。

输出级由两只型号相同的NPN型大功率晶体管VT5、VT6组成。

输出管VT6对于负载（扬声器）来说是共发射极电路，而VT5则是射极输出电路，因此是不对称放大。

VT4为集－射分割式倒相电路，分别由其集电极和发射极输出一对大小相等、方向相反的信号。

VT4对于输出管VT6来说为射极输出电路，电压放大倍数小于1。

从VT4集电极输出的信号通过交流电阻很小的发光二极管VD1，加到输出推动管VT3的基极。

VD1的正向导通压降约为1.9V左右，可看作一个噪声很小的稳压二极管，它使得VT3的发射极电阻R7两端的直流电压UEC基本不变，约比VD1的稳压值小0.7V。

对交流信号而言，R7是与VT3的发射结电阻相并联的。

VT3和VT5组成同极性达林顿式复合管。

因此推挽放大的上臂是由一级共射放大电路（VT4）和二级射极输出电路（VT3、VT5）构成的，而推挽电路的下臂是则由一级射极输出电路（VT4）和一级共射放大电路（VT6）构成，可见是不对称的推挽放大电路。

优点：

（1）功率输出管的电流放大系数不需配对；

（2）频率响应好；（3）输出电压幅度大。

缺点：

（1）差分电路的对称点难易调制，难达到差模输入的目的；

（2）晶体管的配对选择和参数的选择比较难配和。

2.运用集成运放设计。

通过TDA2030，LM386，LM2877等集成运放来设计。

下面是一个采用UA741运算放大器设计的功率放大电路。

如图2所示：

图2

如上图所示，运算放大器UA741为电路的驱动级电路，而四个晶体管构成功率输出级由双电源供电的OCL互补功放对称电路，为了克服交越失真，由二级管和电阻构成输出级的偏置电路，使输出级工作于甲乙类状态，而且电路引用了电压串联负反馈，稳定了输出电压和功率增益，减小了失真。

优点：

（1）输出功率肯能很大；

（2）输出电压幅度大；（3）所需元器件简单，电路简单。

缺点：

（1）频率响应不太好，受反馈放大倍数的影响；

（2）运放工作时散热问题要处理。

比较两种类型的放大电路，最后我选择的用运放设计的功率放大电路。

因为采用运放的功率放大电路更容易实现，需要的元件更少，同时采用运放的计算更容易让人懂，而用晶体管设计的试调比用运放的设计的难，运放可以代替多数的晶体管，让电路更简洁。

4.电路原理

4.1整体电路框图：

整个电路有偏置电路，驱动级运算放大电路，电路保护，信号输入，信号输出，负反馈这几部分组成。

其电路的整体电路框图如图3所示:

图3

4.2工作原理和理论数据计算：

本次模电设计的电路图如图4所示：

图4

1.电路分析：

本次设计采用单电源的OTL电路，OTL电路不需要变压器中间抽头，但需要在输出端接上大电容，故在输出端接入C32.2mF的大电容。

驱动级电路采用了两个TDA2030对信号进行放大，两个放大的倍数都不会很大，因为要保持频率带的宽带。

信号是从运算放大器TDA2030的同相输入端输入，而电路又引入了电压串联负反馈电路，所以驱动级作为了一个同相比例运算放大器，对输入信号进行放大。

图中R4，R3，C2，R8，R7，C6构成交流负反馈，控制交流增益，对于音频信号，可以近似地认为C2，C6短路，故功放的增益为1+R3/R4=1+47k/4.7k=11约为11倍；1+R8/R7=3.98约为4倍,总的放大倍数为4*10=40约为40倍。

而对于直流信号，可认为C4断路，所有输出信号到负反馈，故直流增益为1。

对于OTL电路，静态时要保证输出电压为1/2倍VCC，所以由100K电阻R1，R2组成偏置电路，对VCC进行分压，这样就可以把输入端的电位抬高到1/2的VCC。

C1是输入耦合电容，同交流，阻直流。

R5，C7对8Ω的扬声器进行相位补偿。

D1和D2采用1N4001二极管，作用是保护芯片免受扬声器的感应电压而损坏。

C5为滤波电容，C6为高频退耦电容。

2.电路组成部分：

电路由偏置电路，驱动放大电路，负反馈电路，保护电路，相位补偿组成。

下面图5为信号输入和偏置电路，图6为驱动放大电路和负反馈电路，图7为保护电路，输出电路和相位补偿电路。

图5偏置电路图6驱动放大电路和负反馈电路图7保护电路和相位补偿电路

根据模电所学的知识得出：

输出电压：

反馈系数：

电压放大倍数：

输出功率：

代入电阻的阻值得出：

输出电压

电压放大倍数

3.原件清单：

元件

数量

型号

电阻R=100k

R=100

R=4.7K

R=47K

R=120K

R=20K

2

1

1

2

1

1

1/4W碳膜式电阻

1/4W碳膜式电阻

电容C=100nF

C=1uF

C=220uF

C=2.2uF

C=10uF

C=2.2mF

2

1

1

1

1

1

瓷片电容

电解电容

运算放大器TDA2030

2

集成运放

二极管

2

1N4001

TDA2030介绍：

1脚是同相输入端

2脚是反相输入端

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

图8

TDA2030特点：

1、开机冲击极小；2、外接元件非常少；3、TDA2030输出功率大，Po=18W（RL=4Ω）；4、采用超小型封装（TO-220）,可提高组装密度；5、TDA2030A能在最低±6V最高±22V的电压下工作在±19V、8Ω阻抗时能够输出16W的有效功率，THD≤0.1%；6、内含各种保护电路，因此工作安全可靠。

主要保护电路有：

短路保护、热保护、地线偶然开路、电源极性反接（Vsmax=12V）以及负载泄放电压反冲等。

5.Multisim仿真

1.当输入信号

=100mV,输入频率f=1KHz，直流电源电压为15V，负载电阻为8

时，测得波形如图9:

图9

由图可得：

由此算出，

，符合设计要求。

2.设计电路的通频带宽数值可以由波特图示仪观察得出，如图10所示：

图10

如图所示，频率

频率

。

由此算出，频率带宽

，符合设计要求。

3.设计电路的通频带输出波形和输入波形：

从波形图8我们可以知道，放大倍数不是刚好40倍，而是大于40倍，与理论值有一定的差异。

6.电路焊接及电路试调

1.在焊接前，先对电路板进行初步布局，整理好焊接的线路，尽量简洁，而且不使用跳线。

2.在焊接原件时，不能把电烙铁停留太久，以防烧坏原件，特别在焊接TDA2030的时候。

3.焊接完后，要用万用表检查电路，检测是否出现短路，断路的情况，同时检查点解电容是否的正负极是否接错，发现问题的及时改正。

4.检查完后，将电路接入15V至18V电压，用示波器观察电路波形。

5.输入有效值为100mV的电压，讲频率由50Hz调至20KHz。

观察波形是否失真，观察输出的峰-峰值，并记录好数据。

7.实测数据

频率

50Hz

1KHz

20KHz

理论数据

11.313V

11.313V

11.313V

实测数据

11.003V

12.346V

11.023V

实测得出：

实测数据基本符合要求，而且波形在50Hz到20KHz里不失真。

8.误差分析

误差的来源主要有系统误差（固有误差）和偶然误差（随机误差）。

而产生系统误差的原因有：

仪器本身的缺陷、理论公式和测量方法的近似性、环境的改变和个人存在的不良测量习惯等。

系统误差来源有工具误差、装置误差、人身误差、外界误差、方法误差等。

偶然误差主要是某种未知的偶然因素对实验者、仪器、被测物理量的影响而产生的。

本设计中，最主要的误差是TDA2030在工作时的发热量影响的电路的运行。

TDA2030在15V的电压下工作产生大量热，会影响运放内部的原件，使运放参数有所改变，所以TDA2030的散热问题是主要的误差来源；另外在焊接电路时，锡线使用不当，使用太多的锡线会导致电路的电阻增大，影响结果；还有元件的放置，一些元件并排在了一起或者靠得很近，这样会产生原件间的影响；最后的是，在买元件时没有考虑电阻和小的瓷片电容的功率限制，有些元器件是有功率限制的，没有考虑上，例如这次选择的电阻是1/4W碳膜式电阻，在功率方面可能不太足够，这也是对电路的影响之一。

9.总结和心得体会

在这次课程设计中，一开始我是通过网络寻找资料，然后对找到的功率放大电路进行细致分析，再用Multisim进行电路的仿真。

在仿真过程中出现了不少问题，我通过查找书本的知识，用理论来分析出现的问题。

发现Multimis仿真的结果是与理论是有出入的，同时也让我明白不能太信赖仿真的软件，现实和理想是存在差距的。

知道仿真的结果不太可靠后，我就按照书本的理论和网上收集的资料进行了电路的重新设计，最后还做出了实物。

做出实物后，我多次跑去实验室测试，虽然结果不太理想，经常出现一些问题，不过最后在多次修改后，还是成功地完成了由TDA2030组成的音频功率放大器。

这一切让我知道，只要你用心去做一件事，最终的结果是不会辜负你的。

这次课程设计对我来说是一个很好的锻炼机会，让我能够充分地利用所学过的理论知识，将理论知识和现实实践相结合。

除了这个，我查找资料的能力，分析电路的能力，设计电路的能力都有所提高，让我明白实践才是检验真理的唯一途径。

在这三个多星期中我受益匪浅，不单单是模拟电子方面的知识更加巩固了，而且还大大的拓宽了我的知识领域，同时还发现自己的不足之处。

在学习理论知识的同时还要注重自己的动手能力，只有通过实践得来的知识才是真正属于自己的。

总之，通过这次课程设计让我意识到自己以前所学的知识是远远不够的，如果我想要有更大的发挥空间，我就要不断地去学习和实践，只有两者相结合，才是最快的进步路途。

参考文献：

1、童诗白、华成英，《模拟电子技术基础》

2、赵淑范王宪伟，《电子技术实验与课程设计》

附录：

电路总图

电路装配图，正面:

电路装配图，反面: