dai等响度立体声音频功率放大器的设计.doc

等响度立体声音频功率放大器的设计

摘要:
本设计采用TDA2030集成电路组成输出功率为10W的功率放大器，集成电路功率放大器的特点是输出电流大、频响宽、谐波失真和交流失真小，设有短路和过热保护电路等。本文详细阐述了功率放大器的技术指标要求、测试方法、调试技术。用TDA2030集成电路设计的功率放大器具有输出功率高、频率响应好、失真度小、电路简单、可靠性高、抗外界干扰能力强。它适合制作卧室或小房间使用的音频功率放大器，多用与高级收录机及高传真立体声扩音装置。
关键词:
功率放大,频响,失真度,TDA2030
引言：
随着人民生活水平的不断提高，使得人对生活质量有了更多的要求。特别是电子产品的需求。就如电视、音响等以成为日常生活不可缺少的娱乐，对高音质的追求和享受成为现代人的时尚。目前市场上的功效器有OTL、OCL、BTL，还有动态范围很宽的电子管功放、数字控制和数字显示。但一般输出功率都很大，价格贵，并不适合普通家庭使用。
为此本课题的目的是要设计一种卧室使用的中功放，高音质的功放器，其音质可与中档汽车音响媲美。为解决音量控制时高、中、低音能自动符合人耳的听觉，（人耳的频率相应）既人耳对低音和高音的听觉比同样功放的中低音要轻，所以在音质控制变小时，高、低音会感觉到缺少，低音质变的很僵硬，不清晰、不动听。为此，本设计采用等响度电路，当等音量调小时，高音和低音自动提升，以弥补人耳的听觉，功放采用电源供电的TDA2030型IC功放模块，OCL输出，有很宽的频带频带和较小的失真，有高的放大能力及甲乙类滑动型工作偏置，有高的信噪比和工作效率，输出功率10W（双12V电源）。有完善的保护措施和很高的可靠性。
而本设计采用TDA2030集成电路的设计，它具有输出功率高，失真度小，电路简单，价廉优质，抗外界干扰能力强，使用方便等特点，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。
1 功放电路的设计思路与总体方案
1.1 功放电路的概念与设计思路
功放电路有OTL，OCL，还有单管变压器耦合。乙类推挽输出等。由于单管变压器耦合电路效率低、频响差。乙类推挽输出频响差，失真稍大。OCL虽然频带宽，失真小。但需要双电源。而OTL电路的具有频带宽、失真小、单电源。选取TDA2030功放IC为OCL输出，不仅具有OTL电路上述优点，而且放大能力高，采用甲乙类滑动工作点偏置，动态时工作效率高，该功放器由于集成模块化，可靠性高，外围电路简单，内部具有过压、过热保护和短路保护。
1.2 总体方案的确定
据2030型功放器的技术指标，适合本设计的需要。由于本课题输出功率为10W，按2030型功放指标，选取阻抗为4π的扬声器，频带50HZ～15KHZ，功率为10W（大于输出公率8Ｗ与扬声器串联的电容，在信号的负半周，电容替代了电源的作用，通过IC内部管子向负载放电，为保证在放电过程中电容电压不会下贱过多，放电时间常熟RfzC要比信号最长周期大好几呗，取信号最长周期为0.025S则RfzC﹥0.025(Rfz为扬声器阻抗)，C﹥0.025∕RfzC=0.025∕4=0.00625F=6250UF，取C=10000UF电路电容耐压﹥电源电压，取耐压为25V，电源电压Vdd的确定。
负载电压 =PRfz=10*4=40V，Urz=20V
因为输出电压的最大值是Vdd∕2折合成有效值为Vdd∕2
即：Vdd∕2 =4.9，VDD=2 *4.9=13.8V
电源供给的功率：Pe=2*Ec*Icm/π=2Ec（Ec-Vces）Rfz / πRfz
其中Ec= *Vdd =1/2*13.8=6.9V，Rfz=4Ω，取Vces=1V
代入上式：PE=2*6.9*5.9/4π=6.48W，取10W
本设计采用直流，滤波压电路。由于直流、滤波压电路性能良好，可靠性高，外围电路简单，价格低廉，而功放器的电源电压是固定的。由于功放器的电源VDD=13.8V，为靠标准取12V。
Pe=2Ec(Ec-Vces）/πRfz=12(7.5-1)/4πΩ≈10W
I=Pe/ Vdd =10/15=0.6A
主要参数:输出电压18V，输出电流1.5A，最大输出电压35V，最小输出电压差2V，工作结温0～70℃。使用时加散热片。
1.3 基本的工作原理
根据设计任务书的要求，选取TDA2030型集成模块功放，音量控制等响度控制电路。电源用稳压电源。
TDA2030采用双电源供电的功放电路，该电路在±12V电源电压，RL为4Ω的情况下，输出功率大于10W，失真度小于1％，C1为输入信号Vi与TDA2030之间的耦合电容。R3为输入信号与TAD2030之间的阻抗匹配电阻。C2、C8、R1、R3、R5为电路负反馈网路，使电路的闭环增益达到 30dB以上。R4、C7为电路的频率补偿电路，用以改善放大器的高频特性。C3、C4、C5、C6为电源滤波电容，用以防止电源引线太长照成放大器低频自激。D1、D2为保护电路防止电源电压突变烧坏喇叭。
TDA2030典型应用电路，在放音音量比较小的情况下，由于人耳对低音和高音的灵敏度比中音低的多，这样就会感到低音不够丰满柔和，高音不够明亮清晰。为了弥补人耳的听觉缺陷，大多数音响设备了都设置了响度控制电路，也称响度控制电路。
等响度控制电路选用RC或LC网络，组成低音和高音补偿电路。它与音调控制器的区别是，它只是在音量较小时，才具有提升低音和高音的作用。从而补偿人耳的听觉缺陷：随着音量增大，低音和高音的提升逐渐减小。等响度控制电路给出的校正曲线，很接近等响度曲线。
等响度控制电路往往与音量组合在一起。典型的等响度控制电路带有抽头的电位器RP是L声道的音量控制电位器。电容C1构成高音响应补偿电路，其阻抗对中音和低音较大，可视为开路。电容C2和电阻R2构成低音响应补偿电路，其阻抗对中音和高音较大，而对低音呈较大的阻抗。
当音量控制器RP1置于较小音量时（滑动臂动与抽头点以下），输入信号中晶高音、中音、低音信号一起加到RP1上。由于C8的高通作用（C8对高音的容抗比RP1抽头端上半部分阻值小的多），输入信号中的高音成份经C8直接馈送至功率放大器，所以高音成分获得了提升，因而补偿了高音的响应。中音和低音成分经RPL上半部到达抽头位置，由于C9，R5对低音信号的阻抗较大，而对中音信号的阻抗较小，中音成分被C9、R5网络分流衰减，由于经音量电位器滑动臂送入功率放大器的低音成份相对得到提升，实现了低音相应补偿。
等响度控制电路中的音量电位器有一个固定的抽头端，用来接入响度补偿电路。其抽头位置对补偿效果有很大的影响。若抽头的位置比较低（即抽头靠近地端），则补偿作用来得比较迟，补偿量比较大；若抽头位置比较高，则补偿作用来的比较早，补偿量比较小。通常，其抽头位置在离地端全阻值的1/4—1/3处。当滑动臂至抽头位置以下时，高音和低音的补偿量最大；若增大音量，高音和低音的响应补偿逐渐减弱，即响应控制作用逐渐消失。
等响度控制功率放大电路高频和低音均有较大提升，1/4 W位置的100HZ，10KHZ时的提升量达到指标要求。
R2越小，即抽头越低，音量越小，高低音提升越大，符合人耳的听觉特性，达到等响度控制的要求。
结论与谢辞
音频功放器的设计完成了，经样机制作，测试，技术指标基本到达要求，等响度音量控制符合人耳的听觉特性，方便使用。采用稳压电源降低了整机噪声，音质可与中档汽车收音机媲美。如果在输出端增加一级射极跟随器，以提高输入阻抗和降低输出阻抗。在等响度控制后加一级音调控制，电源采用软启动，以消除开机时电流对扬声器的冲击。如果增加一路相同的电路，便可构成立体声系统，使声音更洪亮，动听。另外可以附加一个音响频谱显示器，指示各种不同频率的强度。
在做毕业设计的过程中，发现自己受益匪浅。做毕业设计就是要去调查研究、收集资料、阅读文献、分析对比，这是我第一次把所学知识运用到实际当中去，解决一些实际问题，取得了一定的成绩。比如TDA2030芯片的作用和技术指标，示波器和非线性失真仪的使用等等。同时，实践对我理论的学习也很有帮助。这次毕业设计和平时所做的课程比起来，其难度，深度和广度相差很大，是大学期间所学知识的综合运用和检测， 我也深感自己的不足，但在毕业设计的过程中，使自己的只是得到补充，同时也培养自己发现问题，分析问题和解决问题的能力。
另外，要感谢在大学期间所有传授我知识的老师，是你们的悉心教导使我有了良好的专业课知识，也感谢学院领导对这次毕业设计工作的重视和关心。
感谢所有给我帮助的同学们，谢谢你们！
参考文献
[1] 胡宴如．模拟电子技术[M]．高等教育出版社，2000，8.
[2] 胡宴如．高频电子线路[M]．高等教育出版社，1998，5.
[3] 关键．电子CAD技术[M]．桂林：电子工业出版社，2004.
[4] 汪建宇．电类专业英语[M]．北京：机械工业出版社，2005.
[5] 杨志亮．Protel 99 SE原理图设计[M]．西安：工业大学出版社，2002.
[6] [美]divid Comer，Douald Comer．电子电路线路[M]．西安：电子科技大学出版社，2004.
[7] 方建中．高频电子实验[M].浙江大学出版社，2001，1 .
[8] 张庆双．电子元件的选用与检测[M].机械工业出版社，2002，8..