1、双声道音频功率放大电路课程设计1 前言在当代生活中，人们因生活层次、文化习俗、音乐修养、欣赏口味的提高，人们对音响的性能要求也越来越高。所以，制作出完美音响也成了人们追求的目标。音频功率放大器作为音响设备的重要器件，完美的音频功率放大器是做出完美音响的必要条件。音频功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域，几十年来，人们为之付出了不懈的努力。无论是从线路技术还是元器件方面，乃至思想认识上都获得了长足的进步。回顾一下功率放大器的发展历程，对我们来说也是一件积极有意义的事情。 随着时代的发展，信息时代的来临，音频功率放大领域取得了喜人的硕果。新的技术飞跃往往是新材料、新理论、新方法的出现之后产生的，
2、音频放大器同样也不会例外。在科技日新月异的时代，我们有理由期待更完美的功率放大器的出现。此次电子技术课程设计我们选择的就是音频功率放大电路的设计。音频放大器的目的是在产生声音的输出元件上重建输入的音频信号，信号音量和功率级都要理想如实、有效且失真低。音频范围为约20Hz 20kHz，因此放大器在此范围内必须有良好的频率响应(驱动频带受限的扬声器时要小一些，如低音喇叭或（高音喇叭)。根据应用的不同，功率大小差异很大，从耳机的毫瓦级到TV或PC音频的数瓦，再到“迷你”家庭立体声和汽车音响的几十瓦，直到功率更大的家用和商用音响系统的数百瓦以上，大到能满足整个电影院或礼堂的声音要求。音频放大器的一种简
3、单模拟实现方案是采用线性模式的晶体管，得到与输入电压成比例的输出电压。正向电压增益通常很高(至少40dB)。如果反馈环包含正向增益，则整个环增益也很高。因为高环路增益能改善性能，即能抑制由正向路径的非线性引起的失真，而且通过提高电源抑制能力(PSR)来降低电源噪音，所以经常采用反馈。2 Protel DXP 2004的简介2.1 Protel DXP的简介随着计算机技术的飞速发展，Protel以其卓越的功能和旺盛的生命力紧跟操作系统和EDA技术的发展步伐。从第一个Protel for Windows版本到Protel98、 Protel99和Protel99SE，直到推出功能更强大的Prote
4、l DXP。他继承了Protel系列产品的优点。与Protel 99SE相比他在许多方面均有大幅度提高。Protel DXP项目级集成管理双向同步，自带错误检查，文件比较，多功能输出配置，比较器引擎保证了源文件和目标文件PCB文件之间的完全同步，消除了原来版本同步困难的问题。Protel DXP不再是把所有文件放在一个数据库文件*.DDB里面而是分为原理图设计系统*.SCHDOC和印制电路板设计系统*.PCBDOC。Protel DXP 2004是Altium公司于2004年推出的最新版本的电路设计软件该软件能实现从概念设计，顶层设计直到输出生产数据以及这之间的所有分析验证和设计数据的管理。当
5、前比较流行的Protel 98、Protel 99 SE就是它的前期版本。 Protel DXP 2004拓展了Protel软件的原设计领域，ProtelDXP功能更加完备、风格更加成熟，并且界面更加灵活，尤其在仿真和PLD电路设计方面有了重大改进，Protel旧版具有的功能它都具有。Protel DXP 2004已不是单纯的PCB印制电路板、设计工具，而是由多个模块组成的系统工具分别是SCH、原理图设计、SCH原理图仿真、PCB印制电路板设计、Auto Router自动布线器和FPGA设计等。覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。该软件将项目管理方式、原理图和PCB图的双向同步技术、多通道设计
6、、拓朴自动布线以及电路仿真等技术结合在一起为电路设计提供了强大的支持。与较早的版本Protel99相比Protel DXP 2004不仅在外观上显得更加豪华、人性化而且极大地强化了电路设计的同步化，同时整合了VHDL和FPGA设计系统，其功能大大加强了。DXP的主要特点:1通过设计工程的方式，将原理图编辑，电路仿真，PCB板的设计和打印这些功能有机的结合起来，提供了一个集成开发的环境。2 提供了丰富的原理图组件库和PCB封装库，并且为设计新的器件提供封装向导程序，简化了封装设计过程。2.2 DXP的主要工作界面1启动 Protel DXP 启动后进入图所示的 Protel DXP 设计管理器窗
7、口。 Protel DXP 的设计管理器窗口类似于 Windows 的资源管理器窗口。图2-1是Protel DXP2004的设计管理器窗口。2主菜单和主工具栏Protel DXP 的主菜单栏包括文件、视图、项目、窗口和帮助等。图2-2是Protel DXP2004的工作界面。2.3 原理图设计基本操作2.3.1项目文件和原理图文件的创建1首先在桌面建立工程文件夹如“双声道音频放大器”，便于管理生成的子文件。2执行菜单命令“文件”/“创建”/“项目”/“PCB项目”，建立一个空项目文件。3执行菜单命令“文件”/“保存项目” ，在弹出的保存项目对话框中输入“双声道音频放大器”文件名，并保存在“双
8、声道音频放大器”文件中。4 执行菜单命令“文件”/“创建”/“原理图” ，新建电路原理图文件。5执行菜单命令“文件”/“保存”,在弹出的保存文件对话框中输入“双声道音频放大器”文件名，并保存在 “双声道音频放大器”文件夹中。创建好的原理图文件如下图所示：2.3.2 工作环境设置执行菜单命令“设计”/“文档选项”,打开 “文档选项” 对话框，在该对话框中对图纸参数进行设置。设置图纸大小单击“Standard Style(标准图纸格式)”区域的下拉按钮，显示如图所示的下拉列表框。选择“A4”选项，即可把图纸设置为 A4大小。2.3.3 放置元件在Library 面板中，单击库文件名列表框的下拉按钮
9、，选中 Miscellaneous Devices.IntLib元件库，然后在下方输入元件名，在当前库元件列表中选中要放置的元件 ，在工作区适当位置单击鼠标左键可将元件放到当前位置。当元件全部放完后，单击右键结束。根据任务的要求对每个元件的属性进行修改，可以双击元件进入属性界面 。如我们想要合适的封装，具体过程如下；首先在属性界面的处单击Edit进入界面。然后在所给的封装中找出自己需要的即可。2.3.4 原理图连线1、按照任务原理图将各元件摆放整齐。2、单击“放置”/“导线” ，光标变为十字形状。连接元件。3、放置、编辑电源及接地符号电源及接地信号有很多种，系统提供了专门的电源及接地符号工具，
10、有 10 多种不同形状供选用。单击连线工具中的按钮，可一次放置电源及接地符号。在放置之前按 Tab键，打开“设置电源或接地符号属性”对话框。设置完后，单击 OK 即可。3 功率放大器简介3.1 功率放大器原理高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大
11、器或谐振功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。乙类和丙类都适用于大功率工作。丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。高频功率放大器大多工作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大，因而不能用于低频功率放大，只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。除了以上几种按电流流通角来分类的工作状态外，又有使电子器件工作于开关状态的丁类放大和戊类放大。我们已经知道，在低频放大电路中为了获得足够大的低频输出功率，必须采用低频功率放大器，而且低频功率放大器也是一种将直流电源提供的能量转换为交流输出的能量转换器。高频功率放大器和低频功率放大器的共同
12、特点都是输出功率大和效率高，但二者的工作频率和相对频带宽度却相差很大，决定了他们之间有着本质的区别。低频功率放大器的工作频率低，但相对频带宽度却很宽。例如，自20至 20000 Hz，高低频率之比达 1000倍。因此它们都是采用无调谐负载，如电阻、变压器等。利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的倍，是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流(或电压)是原先的倍的大
13、信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流及电压放大，就完成了功率放大。这几项指标要求是互相矛盾的，在设计放大器时应根据具体要求，突出一些指标，兼顾其他一些指标。例如实际中有些电路，防止干扰是主要矛盾，对谐波抑制度要求较高，而对带宽要求可适当降低等。功率放大器的效率是一个突出的问题，其效率的高低与放大器的工作状态有直接的关系。为了提高放大器的工作效率，它通常工作在乙类、丙类，即晶体管工作延伸到非线性区域。但这些工作状态下的放大器的输出电流与输出电压间存在很严重的非线性失真。低频功率放大器因其信号的频率覆盖系数大，不能采用谐振回路作负载，因此一般工作在甲类状态；采用推挽电路时可以工作在乙类
14、。高频功率放大器因其信号的频率覆盖系数小，可以采用谐振回路作负载，故通常工作在丙类，通过谐振回路的选频功能，可以滤除放大器集电极电流中的谐波成分，选出基波分量从而基本消除了非线性失真。所以，高频功率放大器具有比低频功率放大器更高的效率。这种分析方法的物理概念清楚，分析工作状态方便，但计算准确度较低。以上讨论的各类高频功率放大器中，窄带高频功率放大器：用于提供足够强的以载频为中心的窄带信号功率，或放大窄带已调信号或实现倍频的功能，通常工作于乙类、丙类状态。宽带高频功率放大器：用于对某些载波信号频率变化范围大得短波，超短波电台的中间各级放大级，以免对不同fc的繁琐调谐。通常工作于甲类状态。3.2功
15、率放大器的性能指标（1）输出功率：即功放电路输送给负载的功率；（2）频率响应：频率响应反映功率放大器对音频信号各频率分量的放大能力，功率放大器的频响范围应不底于人耳的听觉频率范围，因而在理想情况下，主声道音频功率放大器的工作频率范围为20-20kHz；（3）失真：失真是重放音频信号的波形发生变化的现象。波形失真的原因和种类有很多，主要有谐波失真、互调失真、瞬态失真等；（4）信噪比：信噪比是指声音信号大小与噪声信号大小的比例关系，将攻放电路输出声音信号电平与输出的各种噪声电平之比的分贝数称为信噪比的大小；（5）输出阻抗和阻尼系数。3.3 TDA 2030简介一件器材的输出阻抗和所连接的负载阻抗之
16、间所应满足的某种关系,以免接上负载后对器材本身的工作状态产生明显的影响。TDA 2030 是一块性能十分优良的功率放大集成电路，其主要特点是上升速率高、瞬态互调失真小，在目前流行的数十种功率放大集成电路中，规定瞬态互调失真指标的仅有包括TDA 2030 在内的几种。我们知道，瞬态互调失真是决定放大器品质的重要因素，该集成功放的一个重要优点。TDA2030 集成电路的另一特点是输出功率大，而保护性能以较完善。根据掌握的资料，在各国生产的单片集成电路中，输出功率最大的不过20W，而TDA 2030的输出功率却能达18W，若使用两块电路组成BTL电路，输出功率可增至35W。另一方面，大功率集成块由于
17、所用电源电压高、输出电流大，在使用中稍有不慎往往致使损坏。然而在TDA 2030集成电路中，设计了较为完善的保护电路，一旦输出电流过大或管壳过热，集成块能自动地减流或截止，使自己得到保护（当然这保护是有条件的，我们决不能因为有保护功能而不适当地进行使用）。TDA2030 集成电路的第三个特点是外围电路简单，使用方便。在现有的各种功率集成电路中，它的管脚属于最少的一类，总共才5端，外型如同塑封大功率管，这就给使用带来不少方便。TDA2030 在电源电压14V，负载电阻为4时输出14瓦功率；在电源电压 16V，负载电阻为4时输出18瓦功率。该电路由于价廉质优，使用方便，并正在越来越广泛地应用于各种
18、款式收录机和高保真立体声设备中。该电路可供低频课程设计选用。4 双声道音频功放电路的设计4.1 系统总体流程图根据设计课题的要求，该双声道音频功率放大器可由如框图4-1实现。下图主要介绍各部分电路的特点及要求。4.2 直流稳压电源的设计稳定直流源在几乎所以电路中不可缺少，主要给电子电路提供能量。直流稳压电源最主要是能够输出恒定的电压，设计的一般思路是让输入电压先通过电压变压器，再通过整流网络，然后经过滤波网络，最后经过稳压网络输出。本设计采用中心抽头式变压器，然后经过桥式整流电路作为整流网络，再经过电容作为滤波网络，接着为稳压网络，最后经过330pF电容滤波输出。二极管D1，D2主要是对稳压块
19、的保护，RP可以调节输出电压的伏值。设计制作出来的直流稳压电源原理图如图4-2所示：图 4-2 直流稳压电源原理图4.3 前置放大电路设计音频功率放大器的作用是将声音源输入的信号进行放大，然后输出驱动扬声器。声音源的种类有多种，如传声器（话筒）、电唱机、录音机（放音磁头）、CD唱机及线路传输等，这些声音源的输出信号的电压差别很大，从零点几毫伏到几百毫伏。一般功率放大器的输入灵敏度是一定的，这些不同的声音源信号如果直接输入到功率放大器中的话，对于输入过低的信号，功率放大器输出功率不足，不能充分发挥功放的作用；假如输入信号的幅值过大，功率放大器的输出信号将严重过载失真，这样将失去了音频放大的意义。
20、所以一个实用的音频功率放大系统必须设置前置放大器，以便使放大器适应不同的的输入信号，或放大，或衰减，或进行阻抗变换，使其与功率放大器的输入灵敏度相匹配。另外在各种声音源中，除了信号的幅度差别外，它们的频率特性有的也不同，如电唱机输出信号和磁带放音的输出信号频率特性曲线呈上翘形，即低音被衰减，高音被提升。对于这样的输入信号，在进行功率放大器之前，需要进行频率补偿，使其频率特性曲线恢复到接近平坦的状态，即加入频率均衡网络放大器。两个声道电路一致故下图只给出左声道电路如图4-3所示:图4-3 左声道前置电路4.4 音量控制电路设计音调控制电路的主要功能是通过对放音频带内放大器的频率响应曲线的形状进行
21、控制，从而达到控制放音音色的目的，以适应不同听众对音色的不同爱好。此外还能补偿信号中所欠缺的频率分量，使音质得到改善，从而提高放音系统的放音效果。在高保真放音电路中，一般采用的是高、低音分别可调的音调控制电路。一个良好的音调控制电路，要求有足够的高、低音调节范围，同时有要求在高、低音从最强调到最弱的整个过程中，中音信号（一般指1kHz）不发生明显的幅值变化，以保证音量在音调控制过程中不至于有太大的变化。音调控制电路大多由RC元件组成，利用RC电路的传输特性，提升或衰减某一频段的音频信音调控制电路一般可分为衰减式和负反馈式两大类，衰减式音调控制电路的调节范围可以做得较宽，但由于中音电平也要作很大
22、的衰减，并且在调节过程中整个电路的阻抗也在变化，所以噪声和失真较大。负反馈式音调控制电路的噪音和失真较小，并且在调节音调时，其转折频率保持固定不变，而特性曲线的斜率却随之改变。同样由于两声道的音量控制电路一样故只给出了左声道电路图如图4-4所示：图4-4 左声道音量控制电路图本电路通过控制变阻器RP201,RP202,RP203来控制最终的音量大小，调节方便，工作稳定。4.5 功率放大电路设计本次功率放大电路的设计主要采用大的是TDA2030芯片进行功率放大。TDA2030芯片的电路特点： 1 外接元件非常少。 2 输出功率大，Po=18W(RL=4)。 3 采用超小型封装,可提高组装密度。
23、4 开机冲击极小。 5 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Vmax=12V以及负载泄放电压反冲等。 6 TDA2030A能在最低6V最高22V的电压下工作在19V、8。功率放大器是本设计的核心部分，功率放大器的每一环节都直接影响到输出的音质。本设计电路为双电源供电OCL音频功率放大器（双声道），其中高保真运算放大器TDA2030集成块输出电流峰值最大可达3.5A，其内部电路包含输入级、中间级和输出级，且有短路保护和过热保护，可确保电路工作安全可靠。运用TDA2030集成块设计的电路图如图4-5所示：图4-5 左声道功率放大电路4.6
24、 总体设计图左右声道是对称的。功率放大器，简称“功放”。很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。其总图如下图4-6所示：图4-6 总设计图5 PCB电路板制作5.1原理图的绘制1 启动Protel DXP后，新建设计项目文件是设计图纸的第一步操作，然后建立原理图文件。2 绘图前的准备工作，主要包括调入元件库，图纸页面设置，放置原件和调整元件位置。并同时写入元器件的属性设置。如果元件库中没有的器件，必须自
25、己画。 3 整体布局，要注意电路设计的规则，一般来说，从信号进入开始，电源在上地线在下且与电源平行，左端是输入端，右边是输入端，按信号流向摆放元件。4 加入必要的文本注释，增强图纸的可读性，最后进行ERC电气规则检查，为PCB制作提供准备。5 加入必要的文本注释，增强图纸的可读性，最后进行ERC电气规则检查，生成网络表和元器件报表；为PCB制作提供准备。6 利用protel DXP软件画出双电源音频功率放大器原理图。5.2 PCB图的绘制1包括设置格点大小和类型，光标类型，版层参数，布线参数等等。大多数参数都可以用系统默认值，而且这些参数经过设置之后，符合个人的习惯，以后无须再去修改。2规划电
26、路版，主要是确定电路版的边框，包括电路版的尺寸大小等等。在需要放置固定孔的地方放上适当大小的焊盘。注意-在绘制电路版地边框前，一定要将当前层设置成Keep Out layer层，即禁止布线层。3打开所有要用到的PCB库文件后，调入网络表文件和修改零件封装。这一步是非常重要的一个环节，网络表是PCB自动布线的灵魂，也是原理图设计与印象电路版设计的接口，只有将网络表装入后，才能进行电路版的布线。在原理图设计的过程中，ERC检查不会涉及到零件的封装问题。因此，原理图设计时，零件的封装可能被遗忘，在引进网络表时可以根据设计情况来修改或补充零件的封装。当然，可以直接在PCB内人工生成网络表，并且指定零件
27、封装。4布置零件封装的位置，也称零件布局。ProtelDXP可以进行自动布局，也可以进行手动布局。如果进行自动布局，运行Tools下面的Auto Place,用这个命令，你需要 有足够的耐心。布线的关键是布局，多数设计者采用手动布局的形式。用鼠标选中一个元件，按住鼠标左键不放，拖住这个元件到达目的地，放开左键，将该元件固定。ProtelDXP在布局方面新增加了一些技巧。新的交互式布局选项包含自动选择和自动对齐。使用自动选择方式可以很快地收集相似封装的元件，然后旋转、展开和整理成组，就可以移动到板上所需位置上了。当简易的布局完成后，使用自动对齐方式整齐地展开或缩紧一组封装相似的元件。提示-在自动
28、选择时，使用Shift X或Y和Ctrl X或Y可展开和缩紧选定组件的X、Y方向。注意-零件布局，应当从机械结构散热、电磁干扰、将来布线的方便性等方面综合考虑。先布置与机械尺寸有关的器件，并锁定这些器件，然后是大的占位置的器件和电路的核心元件，再是外围的小元件。5 布线规则设置，布线规则是设置布线的各个规范(象使用层面、各组线宽、过孔间距、布线的拓朴结构等部分规则，可通过Design-Rules的Menu处从其它板导出后，再导入这块板)这个步骤不必每次都要设置，按个人的习惯，设定一次就可以。在电路原理图的基础上，绘制PCB图如图5-1所示:图5-1 双声道音频放大器模块PCB板6 总结实践是检
29、验真理的唯一标准。为期几天的课程设计在紧张的氛围中，接近尾声，时间不长，但让我们受益匪浅。这学期我们学习了Protel DXP这门课, 为期两周的实训让我懂得了如何理论联系实际，把所学的内容联系实训课题；了解了音频功率放大器用途及工作原理，熟悉了音频功率放大器的设计步骤，锻炼了设计实践能力，培养了自己独立设计能力。给了在平日里只学习的课本上理论知识的我们一次很好的实践机会，在搜集资料，设计原理图的过程中得到了很好地锻炼，无形之中提升了自己的能力。实训远比课堂中认识元器件那么的清晰深刻，还让我们知道在设计制作的过程中应该注意的事项。此次课题设计是对我们所掌握的专业知识的一次实际检验和巩固，也让我
30、积累了不少经验，让我在以后的工作中有了无形的帮助。课程设计也暴漏出自己的很多问题。一是在设计过程中，我们遇到了许多问题，像有些元件在库中找不到，需要自己建立封装库；封装过程中，许多元件无法在PCB中生成元件封装，需要对相应元件进行追加封装；在布局时，出现线多且杂乱，有可能在自动布线时会出现无法布线的情况，需要认真调整元件位置，使布线尽量少且清晰。二是对功放知道的甚少，基本上无法下手，然后花了大量的时间查阅资料，很难在短时间内获得第一手资料。最后对作品的制作也存在很大问题，如对元器件的许多特性不了解，电路会受到那些干扰，怎样避免许多的错误。这次课程设计让我们认识到自己的不足，还要继续努力拓展知识
31、，而且要把理论与实践结合起来，以获得更大的收益。总体来说这这次课设中我们熟练掌握了Protel DXP软件，对于我们这些工科生来说理解和掌握这个软件对我们以后的学习有很大帮助。在逐步探索的过程中让我对这些东西更加感兴趣，也加深了对我们电子信息工程系的理解。在这次课设中巩固了知识并且增加了阅历，同时增进了和同学们的友谊。教会了我做事情要有坚持、恒心、不怕辛苦的精神在这学期的课程设计中，我们在收获知识的同时，还收获了阅历，收获了兴趣。我们通过查找大量资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实践中，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用
32、的。要面对社会的挑战，只有不断的去学习、实践，再学习、再实践。最后感谢张老师的耐心教导。参考文献1 李与核.protel dxp 2004 sp2 实用教程M.清华大学出版社，2012.12 王冬.protel dxp 2004应用100例M.电子工业出版社，2011.13 薛楠.protel dxp 2004原理图与PCB设计实用教程M.机械工业出版社，2012.34 李万臣.模拟电子技术基础实验与课程设计M，哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，20015 康华光.模拟电子技术基础M武汉：高等教育出版社，2006.16 孙余凯.巧学巧用模拟集成电路实用技术M，北京电子工业出版社，20097 荣寿荪,严毅.音箱集成电路应用手册M.北京:电子工业出版社, 1987.108 蔡杏山.零起步轻松学电子电路M.北京:人民邮电出
