车载音频功率放大器的设计.doc

本科生毕业论文（设计）题 目：车载音频功率放大器的设计 原创性声明兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。除文中已经明确标明引用或参考的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。本人依法享有和承担由此论文而产生的权利和责任。声明人（签名）： 日期： 年 月 日车载音频功率放大器的设计摘要 该方案采用飞利浦公司的TDA1514A芯片,飞利浦公司继TDA1521之后推出的一种改进型音频放大芯片TDA1514A作为主要元件，TDA1514A的工作电压为9V30V,在电压为25V、RL=8时，输出功率达到50 W，总谐波失真为0.08% 。本文介绍一种基于TDA1514A设计的车载音频放大器，电路有静音保护，过热保护，低失调电压高波纹抑制等功能，而且热阻极低，高频解析力强，低频有力度，音色通透纯正，低频丰满，高频透亮，具有胆味。该电路设计新颖、功能强大、结构简单。音频信号从前置放大进入，经音调板于话筒混响送入后级放大，最后通过保护板送入音箱。电路简单高效，可行性高。关键词：车载音频放大器 音调 S5532 TDA1514A Design of Car Audio Amplifiers Abstract The program uses Philips TDA1521,TDA1514A chips after Philips introduced following an improved audio amplifier chip as the main components TDA1514A, TDA1514A the operating voltage of 9V 30V, the voltage is 25V, RL = 8, the output power of 50 W, 0.08% total harmonic distortion. This article describes the design of the car based on TDA1514A audio amplifier mute circuit protection, thermal protection, low offset voltage and high ripple suppression and other functions, and low thermal resistance, high frequency resolution and strong, low frequency, intensity, pure tone transparent, low fat, high translucent, with bile taste. The circuit design of new, powerful, simple structure. Audio signal from the preamp into, the tone plate reverb on the microphone into the back stage amplification, and finally into the speaker through the protection plate. Circuit is simple and efficient, high feasibility.Keywords: Car Audio Amplifiers Audio Adjustment S5532TDA1514A目录引言1第一章 开发工具Protel Dxp200421.1 Protel Dxp2004软件21.1.1 Protel Dxp2004软件简介21.2本章小结2第二章 系统概述32.1 系统硬件描述3第三章 系统硬件设计43.1 伺服稳压电路43.2 前级放大电路63.3 负反馈音调电路123.4 后级放大电路133.5 话筒输入混响电路143.6电路连接完整图及电路测试163.7本章小结21结论22致谢语23参考文献24引言功放是一套好的音响必不可少的组成。主机上所带的功放往往不能很真实地放大声音电流，所以要想有好的音乐感受就必须加装功放。一般来说，功放的功率要大于喇叭的功率。很多车主认为加装功放只是为了有更震撼的听感，而实际上其实忽略了汽车在运行中发动机等等造成的干扰，无论什么档次的车也会有外界影响存在，不可能做到完全的与外界隔断，在行驶过程中音乐的低音部分会有不同程度的衰减，所以增加独立功放可使功率加大，补充音质的损失，减小失真。 由于车载功放连接了主机和扬声器，因此功放必须考虑和主机与扬声器之间的配合，它直接关系着音乐重放的效果和器材的寿命。车载功放的匹配主要有阻抗匹配、功率匹配。功放对音质的影响很大。对于市面上现有的音频功率放大器，要应用到车载上，普遍具有价格高昂、效果普通、以及安装繁琐等情况。本设计针对于现有情况，对于车载音频功率放大器进行针对性设计，具有音质出众、效率高、抗干扰性优秀、安装简便、移动性好等优点。第一章 开发工具Protel Dxp20041.1 Protel Dxp2004软件1.1.1 Protel Dxp2004软件简介1 2004 年 2 月 Altium 公司推出了 Protel 2004。Protel 2004的功能在Protel DXP版本的基础上得到进一步增强，以支持 FPGA 及其他可编程器件设计及其在 PCB 集成。具有改进的稳定性、增强的图形功能和超强的用户界面等特点。Protel 2004的功能有 SCH(原理图)的设计系统、PCB(印制电路板)设计系统、FPGA 设计系统、VHDL 设计系统。Protel 2004的特点有：支持针对PCB版级或FPGA级的设计的解决方案。可以直接从原理图编辑环境运行混合信号，SPICE 3f5/XSpice仿真，并且可以完整地实现仿真分析。信号完整性分析内置于Protel 2004设计规则中，允许将信号完整性问题作为通用的板级 DRC 检查过程中的一项。并且可以基于FPGA设计的现场交互式开发。能在PCB和FPGA项目之间的自动FPGA引脚同步。具有规则驱动的板级布线和编辑功能。含有综合集成化的库。改进的 Situs型自动布线和完整的CAM输出和编辑性能。1.2本章小结本章主要简单介绍了研究本课题需要用到的仿真软件Proteus和Protel dxp2004，了解了这两种软件发展，功能和初步用法，了解了Proteus的四大功能模块，以及Protel Dxp2004的特点等，为以后设计打好基础。相信通过后面的学习会有更深体会。第二章 系统概述2.1 系统硬件描述本音频放大系统是由S5532作为前级，经过负反馈音调，最后进入TDA1514A后级放大。麦克风输入经过M65850送入TDA1514A 与音乐信号进行混合。电源部分由NE5532以及7815、7915组成的伺服稳压电源为整个系统供电。硬件框图如图1：伺服稳压 麦克风混响 前置放大 负反馈音调 后级放大 音箱输出图1系统硬件框图第三章 系统硬件设计3.1 伺服稳压电路8前面用4个整流二极管1N4007(其他整流管通用)整流，然后用2个电解电容滤波并且分别并联两个0.1F的小电容，作用是吸收高频杂波，减少电容温升，这个地方只要简单整流滤波，对元件要求不高。后面用两个三端稳压7815、7915做稳压，并用高速运放伺服纠正误差，实际上就是输出波纹经过运放反向放大后，改变稳压管基准点， 用来修正误差R1、R3(R2、R4)是运放的反馈网络比例越大，灵敏度越高。也就是说，越大越灵敏，越小越稳定。C3 、C4为反馈补偿电容，这里用33pF，当然22 pF 、47pF 都可以。C5、C6 作用是隔离直流信号，在稳定的时候，两端电压等数输出电压。在输出不稳定的时候，电压信号会直接影响运放，从而纠正输出。稳压管输出并联电解电容滤除残存干扰波，这个电容影响音色,一般100uF470uF就可以，本方案使用220uF。前级运放S55327为标准OCL放大器，需双电源供电。最简单的电源设备可以用双电源变压器直接经过整流桥或者4个整流整流二极管，并在用两个电解电容滤波得到双电源。虽然这种电源结构简单并可以提供较大的瞬间电流，但是电源的稳定性以及抗干扰能力较差。一般情况下大功率功放选用这种电源而功率比较小且对电源质量比较严格的前级放大器用这种电源就不适合。而相对比较合适的就是线性稳压电路了。NE5532理想电压为双15V，对于15V电源有专用的三端稳压IC，使用起来非常方便，比如7815、7915系列。基本的稳压电路如图2图2 基本稳压电路图双15V变压器三线经过D1、D2、D3、D4四个整流二极管和C05、C06两个滤波电容形成基本的整流滤波电路结构，在大电解上并联小电容这样做可以降低电容高频内阻减少电容温升提高电容寿命，而且对瞬间放点电流也有提升。此时，电容C05、C06两端分别有大约21V的直流电压，形成双21V电源。三端稳压管2可以理解成一个具备分压功能的可变电阻，这个电阻会根据参考端与输出端之间的电压对内部分压电阻进行动态调整，使得输出与参考之间的电压维持在一个定值。7815与7915分别是+15V以及-15V的稳压管，将参考端接地输入双21V电源通过两个IC便可以得到稳定的双15V电源。为了降低电源内阻提高电源瞬态相应，再输出端分别并联了两个小电解，同样在电解上也并联了小电容。虽然用三端稳压构成的稳压电源相对于直接整流滤波的电源要好很多，但是还是存在一些弊端。三端稳压虽然稳定但是波纹抑制却不是很出色，输出电压检测灵敏度也不够强。于是又做了一个用运放做伺服的稳压电路。伺服稳压电路如图3图3 伺服稳压电路图第一步还是先对交流电进行整流滤波，交流电通过4个二极管形成的整流桥进行整流，然后给滤波电容充电，实际电路中在4个二极管上分别并联有小电容。对于二极管来说类似旁路电容的电容，因为后面的滤波电容的存在，二极管是在前方交流电电压值大于后面电容电压值0.7V左右时开启的。二极管波形类似方波，方波含有大量奇次谐波，而电容的作用就是过滤掉这些谐波。C14、C15参数取104。后面的滤波电容同样并联有小电容。电容后面接三端稳压管，而稳压管的参考端并没有接在公共地上，取而代之的是运放的输出端。这个运放便是伺服电路的核心。前面说到稳压管的功能是始终保证输出与参考端电压不变。但是在临界状态下输出端快速而小幅度的变化IC本身并不能快度的所出反应。这里用运放构造了一个反向放大电路，参考点为地，输入端经过C10、C19 10F电容接到输出电源上。这样，在输出端形成小范围的微弱变化会被运算放大器经过34被放大作用在三端稳压的参考端上，相当于对误差值进行了35倍放大，从而提高了对误差信号检测的灵敏度，也提高了整个电源电路对交流波纹的抑制，增加了电源的稳定性。稳压管输出依然和前面的电路一样并联小电解，同样在电解上并联上小电容。一个相对完整的伺服电源线路已经完成了，接下来进行PCB布线。在PCB设计上主要注意地线和电容的接法就可以了，地线尽量做到“一点接地”就是根据地线的作用把不同功能的地点最终会聚到电容交点上，这样可以尽可能的较少地线的干扰。电容尽可能在引脚上做成法放射状布线，这样可以使电容的性能发挥到最佳状态。4个整流管在PCB最前端，地线用跳线飞入并与整流管并排。整流管输出直接接电容引脚最底端。地线由飞线分开，分别接入两个电容接地点再从电容处引出在后面电路下方汇聚，这样可以更好的过滤掉前面的波纹。整流管输出一样直接指向电容。电压取样、运放供电也是从电容单独飞出，把每一个线尽可能的独立开。这种布线效果较好但是浪费了大量面积，增加了做图难度，对于效果的改善却比较小，一般可以随意些，大电流的走线相对独立就好了。伺服稳压实际硬件如图4：图4 伺服稳压实际硬件图 3.2 前级放大电路NE55327是典型的双极型输入运算放大器，是一种高性能低噪声运放，与很多标准运放相似，NE5532具有优秀抗噪声性能，在一般条件下能发挥很棒的输出能力。小信号带宽：10MHz输出驱动能力：600 10V；输入噪声电压：5nV/Hz；DC电压增益：50000；AC电压增益：10KHz时2200；电源带宽：140KHz;转换速率：9V/s大电源电压范围：3V20V。相关的参数如下所示：1、 极限参数：表1 5532极限参数参数符号NE5532单位电源电压Vcc22V差分输入电压Vdif13V输入电压Vi提供电压V功耗，TA=25PD1100mW工作温度TOPR0702、 电气参数表2 5532电器参数参数符号测试条件最小值标准最大值单位输入失调电压VIO-0.54.0mv输入失调电流IIO-10150nA输入偏置电流IBIAS-200800nA供电电流ICC-6.016mA输入电压范围VI(R)-1213-V共模抑制范围CMRRTA=2570100-dB电源抑制比PSRRTA=25输出电压范围VO(P-P)RL6001213-V输入电阻RITA=2530300-K短路电流ISC-38-mA过调OSRL=600,CL=100pF-1020%电压增益GVf=10kHz22.2-V/mv增益带宽GBWCL=100PF, RL=600810-MHz转换速率SRRL=1K,CL=100PFRL=600-68.0V/us输入噪声电压eNfo=30Hzfo=1kHz-8.05.0-nv/Hz3、 NE5532的相关封装形式如图5 图 5 封装形式图4、NE5532的芯片内部电路如图6：图6-1 5532芯片内部电路图6-2 5532芯片测试电路用单个NE5532组成的小功率电路有很多版本，通过不断地对比和思考，对相关的电路图作了修改，最终确定了原理图。前级电路由经典47耳放改造，45耳放是一位外国人设计的电路，电路如图7。 图7 47耳放电路因为电路中有较多以47为参数的元件所以称作47耳放。47耳放结构简单，第一级运放进行负反馈控制放大倍数进行比例放大，第二个运放进行电压跟随，降低放大器内阻，增加了输出电流，并做声音修饰。两个运放输出经过两个47匀流电阻输出致音调。因为反馈取样点在47电阻之后，所以不考虑电阻带来的损耗。原理图如图8： 图8 前级电路电路没有添加音量电位器，只做了放大部分。功能独立，方便组合。47耳放原设计使用的运放是OPA2132，这个运放是FET输入型的，所以内阻极高。而且在低电压下可以正常工作，失调电压与失调电流极小，算是比较高档的运放了。当然OPA2132的价格也是很高档的。本设计选用了美国大S5532。S5532虽然指标相对于OPA2132较差，但是工作于+-15V时音色总体来说还是比较讨人喜欢的。单片5532耗电相对较大，15V下比较耗电。由于5532失调电压较高而且又是NPN管输入的，如果使用原设计必然会引来较大的输出中点漂移，经过测试最大有30多mV。所以我在反馈电阻的位置串联了电容，也就是C03、C04两个电容，将直流反馈变为交流反馈，这样可以使输出中点控制在1mV以下。换成其他运放如果没有中点问题这个电容的位置可以直通。反馈采样部分依然从输出取，并在R05、R06上面并联了C05、C06，作用是超前补偿。电源部分增加了两个退耦电解电容C8、C9，并习惯性的在两个电解上并联了小电容C10、C11。最后增加伏地电阻R。伏地可以吸收一部分地线的干扰信号让信号地更加纯净。当然还有一个作用，那就是在布线的时候可以在视觉上隔离信号地与电源地，为合理布线带来方便。47电路市面上款式很多，但是在设计PCB的时候经常注重外观而忽略了对布线的要求，最终导致一些电路声音不好，严重的甚至出现交流声。吸取了别人的经验教训，所以在做这个板的时候就注意了很多。退耦电容两两一组，原则为电源经过退耦电容再连接至IC，这样可以有效吸收放大器工作时候产生的耦合信号，也可以避免由于电源线过长引起的干扰信号进入放大器。地线主要分为电源地和信号地，这两个地也可能是连在一起的，但是作用不同。电源地主要提供大电流电源，一般功率输出地都要接这根。信号地主要提供参考电位，电流很小，所以也比较容易受到干扰。一般说来越靠近电容引脚的地方电容对交流信号抑制作用越强，所以两个并联在电源上的电容的交点可以认为是比较稳定的地，放大器输出的地一般从这里引出。而信号地上各点到电容地交点的途中是不能有大电流存在的，否则会将耦合信号注入信号地从而干扰基准的稳定，造成声音不耐听甚至交流声等严重后果。在地线处理上我将两个退耦电容交点作为电源地，并采用1点接地处理。又从交点上引出一根地线经过伏地电阻拉到前面作为信号地，使信号地与电源地彻底隔离提供稳定的基准。输出是两个运放并联的，每个运放又接有匀流电阻。反馈采样避开两个输出电阻的线，直接从输出端子引脚引出，这样反馈取样线上就不会出现较大电流了，保证了反馈取样的准确性。参数选择：4个匀流电阻，R07、R08、R09、R10理论上电阻值越大，两个运放输出电流一致性越好，但是输出电流能力也随着下降。本人测试过10、22、33、47、100这样的参数，听感差距基本没有，所以维持原设计用47电阻。反馈网络的电阻原设计为4.7 K、10 K，放大倍数为3倍多一点。实际测试增益过低，后来改为8 K(R03、R04)，47 K(R05、R06)倍数为7倍左右。C05、C06用10pF独石电容，作用主要是针对高频。C03、C04用22 uf电解电容，经过计算此时截至频率为0.22Hz。实测对低频影响不大。由于此电容的存在将反馈模式变为交流反馈，所以中点可以稳定在1MV以内。不同IC对于中点表现也有不同，失调电压低的运放即使使用直流反馈中点也会很接近0。输入对地电阻R01、R02参数与反馈电阻一致用47K，对于BJT输入的运放可以使两个输入差分管偏置相同以便更好的稳定中点。47K相比之前100K小了很多，同时也增强了抗干扰能力。输入耦合电容使用10F电解。经过计算低频截至频率为0.34Hz，对声音也不会造成影响。最后，伏地电阻4.7，电源退耦用100F电解，并联0.1F小电容。前级运放实际硬件如图9：图9 前级电路实际硬件图3.3 负反馈音调电路标准的负反馈音调调节，运放为反向输入电路4，电位器向上调节反馈深度增加，对信号有衰减作用。向下调节反馈深度减小，信号增强。C39、C40两个电容起消镇作用。输出1K电阻，跟后面放大器分压，也可以防止输出短路保护IC。板子上面消镇的电容位置比较多，元件参数可以根据自己的需要进行调整，通用性比较强。负反馈音调原理图如图10：图10 负反馈音调原理图 负反馈音调实际硬件如图11：图11 负反馈音调实际硬件图3.4 后级放大电路10两个功放部分的电路，里面的元件编号也是比较整齐，左边都是单数，右边都是双数，两边边是完全一样。首先输入部分TDA1514A封装都是自己画的，只用了一个方块1脚正相输入，用做信号输入。9脚反响输入，用于负反馈C01、C03、R01(C02、C04、R02)成滤波电路，其中1F、20K两个元件把低频截至频率限制到7Hz。220pF电容可以吸收一部分高频震荡，降低烟花率R03、R05(R04、R06)两个电阻，为反馈网络，控制电路放大倍数在30左右。3脚为静音控制，C05、R07(C06、R08)决定开机静音时间，静音时间与这两个元件大小成正比，官方线路里面这个电容用3.3F，我这里取到4.7F，也可以根据自己情况适当调整。7脚为自举，更换自举电容C09(C10)的种类可以使音色发生微妙的变化，可以自己换着听。R09、R11(R10、R12)需要用较大功率电阻，R13、C07(R14、C08)应选用大功率电阻。C11、C13(C12、C14)是退耦电容C15(C16)也是并联在电源端，吸收线路耦合信号的，这个电容用到10F100F都可以，这个电容的耐压应该是供电电源电压单边的2倍。原理图如图12：图12 后级放大电路后级放大实际硬件图如图13：图13 后级放大实际硬件图3.5 话筒输入混响电路11麦克风混响电路使用数码卡拉OK处理电路M65850P，由日本三菱公司97年推出，内含输入、输出低通滤波器、AD、DA变换器和SRAM静态存贮器、时钟振荡器以及自动复位、开机静音、延迟、主控逻辑电路等。该电路采用ADM对音频信号进行AD、DA转换处理，并使用内置20kB的SRAM静态高速存贮器进行信号存贮，此种数字模拟处理方式最大特点是用较小的存贮器容量，也能达到高效低失真的处理效果，属目前性价比高的优秀数码处理方式。在处理环绕声信号时，其总谐波失真小于02%。在作卡拉OK混音处理时，其总谐波失真小于1.2%。M65850P用于卡拉OK的典型电路，电路可设置有话筒音量控制，音乐输人信号控制，R9回响次数深度控制，电路延迟时间约164ms，带通频率约5kHz。该电路混响性能优于M50195P，并可与M65831AP比美。原理图如图14：图14 混响电路混响电路实际硬件如图15：图15 混响电路实际硬件图3.6电路连接完整图及电路测试电路连接pcb5如图16： 图16 部分PCB电路图电路测试：1. 波形测试3：CH2从前级输入100mv正弦波信号，CH1检测后级输出波形，中间经过前级放大，负反馈音调，后级放大，波形如下： 图17 50Hz频率 图18 100Hz频率 图19 400Hz频率 图20 1.5KHz频率图21 10KHz频率图22 22KHz频率 图23 186KHz频率 图24 1.286MHz频率从以上波形图可看出，在音频范围中20Hz22KHz范围中，波形没有丝毫失真，正常波形输出可以达到186KHz，已经超出人耳听力范围，到达1.28MHz时有较大失真。由上波形测试可看出本套音频功放几乎没有失真，能完美的还原真实的音质。2. 放大器效率电源输入信号为18.36V，1.49A电流，输出功率为21.5w，根据得出=78%符合原设计。3.7本章小结在整套系统方案的制作中，遇到了很多难题，如输入电阻大小的确定，以及电容的选择，但最终还是调试出了较为完美的音质。波形测试不失真，实听音质干净利落，通透纯正，低频丰满，高频透亮。这归功于布线以及耦合，退藕电容原件的细心比较选择。达到了预期的目标。结论该车载音频放大器在我们的现实生活中有着多方面的运用，不单单可以是用在汽车上，而且在许多回声面积小的应用场所都能享受到优秀的音质。归功于伺服稳压电源，前级放大可以发挥最大的效果。而后级放大不使用伺服稳压电源，而是直接使用滤波电路，并使用优秀的滤波电容，使得瞬态响应获得了极大地提高，动态范围也大大的增加了。由于这套车载音频放大器是对于HIFI音质设计的，没有对音质进行过大的均衡器处理，为获得最真实自然的声音享受，久听不腻。如果改造成AV功放，同时使用两组该放大器，增加一路低音放大，或者是使用优秀的中低频扬声器，组成5声道影院式放大器，在5声道音源的支持下，音场效果能够再提高一个档次。致谢语本研究及学位论文是在我院导师周锦荣老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。周锦荣老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向周锦荣老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。在论文即将完成之际，从开始进入课题到论文的顺利完成，在许多尊敬的师长、同学给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!同时感谢嘉庚学院的院长、系主任、及老师对我四年来的教育和培养，并致以崇高的敬意！最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢！参考文献1陈学平 兰帆.Protel2004电路设计与电路仿真M.清华大学出版社, 2007.10.2汪胜宁 程东红.电子线路（第四版）教学指导书M. 高等教育出版社, 2003.5.3刘舜奎 林小榕 李惠钦.电子技术试验教程M. 厦门大学出版社, 2008.1.4刘邱关源.电路（第五版）M. 高等教育出版社, 2006.5.5汤元信 刘元法: 电子工艺及电子工程设计M. 北京航空航天大学出版社, 1999.7.6田良.综合电子设计与实践（第2版）M. 东南大学出版社, 2010.8.7Johan 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