1、 本科毕业设计 （ 20 届） 音频功率放大器设计 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 电子信息技术几乎主宰了整个电器行业的发展，随着电子技术的进步发展在功率放大器的设计上功能也不断更新。功率放大器在家电、数码产品中 的应用也越来越广泛，与我们日常生活有着密切关系。随着生活水平的提高，人们越来越注重视觉，音质的享受。在大多数情况下，增强系统性能，如更好的声音效果，是促使消费者购买产品的一个重要因素。音频功率放大器作为音响等电子设备的后级放大电路，它的主要作用是将前级的音频信号进行功率放大以推动负载工作，获得良好的声音效果。同时
2、音频功率放大器又是音响等电声设备消耗电源能量的主要部分。 音频功率放大器构成有前置放大器，功率放大器，扬声器，整流电源等。前置放大器用微处理器 LM324 来设计，功率放大器是主体部分，我用 TD2030A来实现功能，电源部分要做到输出功能强却不简单，即噪声小。 制作的音频功率放大器的主要功能为把外接音频小功率放大，最后扬声器输出。 关键词： 微处理器 LM324；音频功率放大器； TD2030；放大电路 - 2 - Abstract Electronic information technology is almost dominated the entire electrical indu
3、stry, with the progress and development of electronic technology in the design of power amplifier features are constantly updated. Power amplifiers in home appliances, digital products are increasingly being used in applications, and is closely related to our daily life. With the improvement of livi
4、ng standards, there is growing emphasis on visual and sound quality to enjoy. In most cases, enhanced system performance, such as better sound effects, is to promote consumers to buy products, an important factor. Stereo audio power amplifier and other electronic equipment as a post-stage amplifier
5、circuit, its main role is to level the audio signal before the power amplifier in order to promote the work load, get a good sound. Stereo audio power amplifier is also electro-acoustic devices such as the main part of the energy consumption of power. Currently, analog audio power amplifier is still
6、 the mainstream products, analog amplifier has experienced decades of continuous improvement and perfection, and its technology has been developed to its peak. Analog class-based power amplifier is a linear amplifier, power amplifier parts are two types of tubes and transistors. By power amplifier q
7、uiescent point of the set can be divided into Class A amplification, A / B Class and C Class zoom magnification of three. The biggest advantage of the transistor amplifier is a power conversion efficiency (C class power amplifier up to 55%), small size, light weight, less heat, low production costs.
8、 The disadvantage is the low conversion rate, even higher harmonic distortion.With the continuous improvement of transistor manufacturing technology and new technology, the availability and reliability targets have greatly improved, and continue to the higher output power, smaller size, lighter weig
9、ht, more multi-functional and intelligent direction. This article describes the audio power amplifier structure, function, and principle and so on. Key Words: Microprocessor LM324; 6 power chip; audio power amplifier; PCB - 3 - 目 录 1 引言 . 1 2 音频放大器简介 . 2 2.1 音频放大器的回顾和展望 . 2 2.2 音频功率放大电路的简介 . 3 2.3 音
10、频放大器分类 . 3 2.3.1 A 类 (甲类 )放大器 . 4 2.3.2 B 类 (乙类 )放大器 . 4 2.3.3 AB 类 甲乙类 )放大器 . 4 2.3.4 C 类 (丙类 )放大器 . 5 2.3.5 D 类 (丁类 )放大器 . 5 2.3.6 简介 D类放大器的工作原理 . 5 2.3.7 放大器的电源 . 6 2.4 LM324 和 TDA2030 的 简介 . 7 2.4.1 用 LM324 设计反相比例放大器 . 7 2.4.2 用 TDA2030 设计功率放大器 . 11 3 功率放大器的设计 . 13 3.1 设计要求 . 13 3.2 设计过程 . 13 3.
11、2.1 拟定总体方案 . 13 3.2.2 设计思路 . 13 3.2.3 电路设计 . 14 3.2.4 功率放大电路的主体设计 . 16 3.2.5 表频率响应数据记录表 . 18 3.3.5 测试过程和注意事项 . 18 致 谢 .错误 !未定义书签。 参考文献 . 20 - 1 - 1 引言 音频功率放大器在我们生活中经常能够接触到，从小型的耳机到大型的大功率音响系统，可以说我们越来越离不开音频功放技术，而且音频功放技术也在不断的更迭以适应现代的社会。 由于过去只有电子管这样的电子器件，乙类电子管功放产生的失真在公共广播系统中都难于被人们接受，因而长时间以来，高保真功放的工作类别仅限甲
12、类和甲乙类两种类型。随着半导体器件的 出现和电子技术的飞速发展，人们为适应各种不同的要求，设计出形形色色的音频功放电路。 目前，音频功率放大器仍以模拟功放为主流产品，模拟功放经历了数十年的不断改进和完善，其技术已发展到了顶峰。模拟类功放是以线性放大为基础，功率放大器件有电子管和晶体管两类。按功放静态工作点的设置可分为类放大， /类放大和 C 类放大三种。晶体管功放的最大优点是电源转换效率高（ C 类功放最大可达 55%）、体积小、重量轻、发热量不大、生产成本低。缺点是转换速率低、偶次谐波失真较大。音质和可靠性指标都略逊于电子管功放。随着晶体管制造技术 的不断提高和新技术的应用，各项实用性指标和
13、可靠性指标都有很大改善，并不断在向更大的输出功率、更小的体积、更轻的重量、更多的功能和智能化方向发展。 我之所以选择音频功率放大器的设计与制作这个课题，从理论上讲，能让我更加巩固模拟电路的一些基本知识，把以前不熟悉的地方做进一步的了解，实践上，自己动手焊接电路，调试电路，锻炼了动手能力。 - 2 - 2 音频放大器简介 2.1 音频放大器的回顾和展望 随着晶体管制造技术 u 的不断提高和新技术的应用，各项实用性指标和可靠性指标都有很大改善，并不断在向更大的输出功率，更 小的体积，更轻的重量，更多的功能和智能化方向发展，如美国 CROWN 公司的 MA-5000VZA 功放，其最大输出功率可达
14、4000W/8（桥接，单通道）；完善的可靠性设计使它在苛刻的环境中可连续工作，使得生产者可作 3年免维护的保证；插入可编程的输入处理模块 USP3；可对 1 2000 台功放的工作状态进行程控调节和各种参数检测。各种完善的可靠性保护措施，使它的可靠性大大提高，可与电子管功放媲美。 晶体管功放具有许多宝贵优点，它的失真低于万分之一，但其音质听感总不如电子管功放那么逼真，细腻，尤其是在表现瞬态变化快而清 脆的打击乐，弦乐和浑厚回荡的钢琴曲方面感觉最明显。 20 世纪 80 年代初，欧洲有些专业公司开始研究晶体管功放与电子管功放之间的性能差异及解决办法。电子管是一种电压控制器件，需要的控制功率极微，
15、开关速率很快。晶体管是一种电流控制器件，需有较大的控制电流，转换速率较慢，这是最基本的差别。 80 年代中期欧洲首先推出了采用 MOSFET 音频场效应管功放。 MOSFET 场效应晶体管既具有晶体管的基本优点。但使用不久发现这种功放的可靠性不高（无法外电路保护），开关速度提高得不多和最大输出功率仅为 150W/8等。 90年代初， MOSFET 的制造技术有了很大突破，出现了一种高速 MOSFET 大功率开关场效应晶体管。西班牙艺格公司（ ECLER）经多年研究，攻克了非破坏性保护系统的 SPM 专利技术，推出了集电子管功放和晶体管功放两者优点结合的第 3代功放产品，在欧洲市场上获得了认可，
16、并逐步在世界上得到了应用。第 3代 MOSFET 功放的中频和高频音质接近电子管功放，但低频的柔和度比晶体管功放差一些，此外 MOSFET 开关场效应管容易被输出和输入过载损坏。 美国 Tripass 公司设计了改进的 D 类数字功放，取名为“ T”类功 1999 年意大利 POWERSOFT 公司推出了数字功放的商业产品，从此，数字功放进入了工程应用，并获得了世界同行的认可，市场日益扩大，最终将替代各类模拟功放。 - 3 - 2.2 音频功率放大电路的简介 音频放大器已经有快要一个世纪的历史了，最早的电子管放大器的第一个应用就是音频放大器。然而直到现在为止，它还在不断地更新、发展、前进。主要
17、因为人类的听觉是各种感觉中的相当重要的一种，也是最基本的一种。为了满足它的需要，有关的音频放大器就要不断地加以改进。 进入 21 世纪以后，各种便携式的电子设备成为了电子设备的一种重要的发展趋势。从作为通信工具的手机，到作为 娱乐设备的 MP3 播放器，已经成为差不多人人具备的便携式电子设备。陆续将要普及的还有便携式电视机，便携式 DVD等等。所有这些便携式的电子设备的一个共同点，就是都有音频输出，也就是都需要有一个音频放大器；另一个特点就是它们都是电池供电的，都希望能够有较长的使用寿命。就是在这种需求的背景下， D 类放大器被开发出来了。它的最大特点就是它能够在保持最低的失真情况下得到最高的
18、效率。 高效率的音频放大器不只是在便携式的设备中需要，在大功率的电子设备中也需要。因为，功率越大，效率也就越重要。而随着人们的居住条件的改善，高保真 音响设备和更高档的家庭影院也逐渐开始兴起。在这些设备中，往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率。这时，低失真、高效率的音频放大器就成为其中的关键部件。 2.3 音频放大器分类 长期以来，高品质音频放大器的工作类别，只限于 A 类 (甲类 )和 AB 类 (甲乙类 )。其原因在于过去只有电子管这样的器件， B 类 (乙类 )电子管放大器产生的失真使它们甚至在公共广播用时都难于被人们所接受。所有的自称为高保真放大器均工作于推挽式的 A 类 (甲类 )。
19、随着半导体器件的出现和发展，放大器的设计得到了更多的自由。就放大器的类别而言，已不限于 A 类 (甲类 )和 AB 类 (甲乙类 )。这里将各种类别的放大器简介如下。不过需要指出，就目前来说用于音频功率放大器的工作类别， A 类 (甲类 )、 AB类 (甲乙类 )和 B 类 (乙类 )这三类放大器仍覆盖着半导体放大器的绝大多数。 - 4 - 2.3.1 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。这种放大器，由于避免了器件开关所产生的非线性，只要偏置和动态范围控制得当，仅从失真的角度来看，可认为它是一种良好的线性放大器。 A 类放大器在结构上
20、，还有两类不同的工作方式。其中一类是将两个射极跟随器相联工作，其偏置电流 要增加到在正常负载下有足够的电流流过，而不使任一器件截止。这一措施的最大优点是它不会突然地耗尽输出电流，如果负载阻抗低于标定值，放大器会短期出现截止现象，在失真上可能略有增加，但不致出现直感上的严重缺陷。另一类可称作为控制电流源型 (VCIS)，它本质上是一个单独的射极跟随器，并带有一个有源发射极负载，以达到合适的电流泄放。这一类作为输出级时，需要在开始设计之前就把所要驱动的阻抗是多低搞清楚。 2.3.2 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。这类放大器可以说是最为流
21、 行的一种放大器，也许目前所生产的放大器有 99是属于这一类。由于大家比较熟悉，这里不作详细介绍。 2.3.3 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 )。 AB类 (甲乙类 )放大器在输出低于某一电平时，两个输出器件皆导通，其状态工作于 A类 (甲类 )；当电平增高时，两个器件将完全截止，而另一个器件将供给更多的电 流。这样在 AB 类 (甲乙类 )状态
22、开始时，失真将会突然上升，其线性劣于 A 类 (甲类 )或 B 类 (乙类 )。不过笔者认为，它的正当使用在于它对 A类 (甲类 )的补充，且当面向低负载阻抗时可继续较好地工作。 - 5 - 2.3.4 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。这类放大器，一般用于射频放大，很难找到用于音频放大的实例。 2.3.5 D 类 (丁类 )放大器 这类放大器，其特点是断续地转换器件的开通，其频率超过音频，可控制信号的占空比以使它的平均值能代表音频信号的瞬时电平，这种情况被称为脉宽调制 (PWM)，其效率在理论上来说是很高的。但是，实际困难还是非常大的，
23、因为200kHz 的高功率方波是不是好的出发点尚不清楚；从失真的角度来看，为保证采样频率的有效性，必须将一个陡峭截止频率的低通滤波器插入放大器与扬声器之间，以消除绝大部分的射频成分，这至少需要 4 个电感 (考虑立体声 )，成本自然不会低。此外，表现在频响方面，它只能对某一特定负载阻抗保证平坦的频率响应。 2.3.6 简介 D类放大器的工作原理 可能读者都早就熟悉了 A类、 B 类、 AB类和 C 类放大器，其实所有这些放大器的区别只是在于静态工作点的选择。 A类放 大器具有最大的静态工作电流，也就是它在没有输入信号的时候也会消耗电流，因而显然它的效率是最低的。但是，只要选择合适的工作点，它通
24、常具有最低的失真。 B 类放大器则选择了 50%的导通时间，它的效率肯定比 A 类放大器要高 ,但是失真也要严重很多。 AB类放大器则是介于 A 类和 B 类之间。它的导通时间也是介于 50%到 100%之间。 C类放大器是指那些导通时间小于 50%的放大器，通常用于负载为调谐回路的射频放大器中。 D类放大器是一种完全不同的放大器，其实称之为 D类放大器似乎并不恰当。因为它并不只是放大器工作点的选择。所以也有人称 之为“数字音频放大器”。似乎这个名称更为恰当。因为有一种 D 类放大器可以接收数字输入而省去 D/A变换。 D 类放大器所采用的技术其实就是脉宽调制技术 PWM(Pulse Widt
25、h Modulation)。所谓脉宽调制技术也就是把模拟音频信号的幅度来调制一系列矩- 6 - 形脉冲的宽度。这样，一个模拟音频信号就变成了一系列宽度受到调制的等幅脉冲信号。为什么要这样做呢？因为这时候，要把信号放大，只要对这系列的脉冲信号放放大就可以了。而原来的模拟信号并不是包含在这个脉冲信号的幅度之中，而是包含在它的宽度之中。只要把这个放大以后的 脉宽调制信号中所包含的低频分量滤出来就可以得到放大以后的音频信号。在没有信号的时候，输入信号就是对称方波。所以如果在放大的时候，幅度上产生失真并不会使原来的音频信号产生失真。在这种情况下的放大器就可以完全工作在开关状态。在开关工作状态，晶体管的效
26、率是很高的。因为在完全导通的时候晶体管的电流很大但是压降很小 (由其饱和电阻决定 )，而在截止的时候，加在晶体管的电压很高，但是流过晶体管的电流很小 (只是其漏电流而已 )。同时还可以使晶体管在没有音频信号时完全工作在截止状态，这样其效率就更高。这种脉宽调制可以用一个等幅三 角波来对音频信号进行采样。为了避免失真这个三角波的频率必须远高于音频信号的最高频率分量。 现在的音频功率放大器主要有电子管式功率放大器、晶体管式功率放大器和集成电路功率放大器等三种。目前，以晶体管或集成电路式功率放大器为主。电子管式功率放大器的生产工艺相当成熟，产品的稳定性很高，离散度极小。它的动态范围比较大，过负载能力强
27、，不容易发生饱和削波失真；电路的负反馈深度较浅，也不容易发生瞬态互调失真。这些使电子管功放音色纯美动听。集成电路功放随着集成电路技术的发展而大量涌现出来，它的突出优点是体积小、电路简单、性 能优越和保护功能齐全等。晶体管功放是应用最广泛的形式，它的谐波失真已经减少到 0.5以下。场效应管是一种很有潜力的功率放大器件，它是一种噪音小、动态范围大的电压控制器件。另外它还具有负温度特性，音色和电子管机相似，保护电路简单。 2.3.7 放大器的电源 极端重视电源的现代放大器“放大器不过是电源的调制器”，这句话道出了放大的实质。既然如此，又有什么理由不引起对电源的高度重视呢。电源部份作为推动扬声器发声的源泉，再也不应像过去那样随便找个整流电源接上了事。对电源的要求有两个方面，即纹波噪声小，输出能力强。噪 声小比较容易办到，只
