高保真音频功率放大器设计报告书.doc

学 号： 16课 程 设 计题 目高保真音频功率放大器设计学 院信息工程学院专 业电子科学与技术班 级0703班姓 名张逸帆指导教师吴皓莹2009年1月15日课程设计任务书学生姓名： 张逸帆 专业班级：电子科学与技术0703 指导教师： 吴皓莹 工作单位： 信息工程学院 题 目: 高保真音频功率放大器的设计 一、设计目的根据设计要求，完成对高保真音频功率放大器的设计。进一步加强对Protel软件的应用和对模拟电子技术知识的理解。二、设计内容和要求根据技术指标和已知条件，选择合适的功放电路，如：OCL、OTL或BTL电路。完成对高保真音频功率放大器的设计、装配与调试。 输出功率10W/8；频率响应2020KHz；效率>60；失真小。 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。（选做：用PSPICE或EWB软件完成仿真） 安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。三、初始条件可选元件：集成功放LA4100或LA4102；集成功放4430；集成功放TD2030；集成功放TDA2004、2009；集成功放TA7240AP（集成功放的选择应满足技术指标）。电容、电阻、电位器若干；或自备元器件。直流电源±12V，或自备电源。可用仪器：示波器，万用表，毫伏表四、时间安排1、2009年1月4日集中，作课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。2、2009年1月12日至2009年1月13日，查阅相关资料，学习电路的工作原理。3、2009年1月13日至2009年1月14日，电路装配与调试。4、2009年1月15日撰写课程设计报告书。5、2009年1月16日课程设计成果及报告，同时进行答辩。课设答疑地点：鉴主13楼电子科学与技术实验室。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目 录摘 要11设计内容及要求21.1 设计目的及主要任务2 1.1.1 设计目的 2 1.1.2 设计任务及主要技术指标21.2 设计思想22 方案论证及整体电路工作原理32.1方案确定与论证32.2整体电路工作原理33电路单元模块设计43.1 电源电路的设计43.2 音频输入的设计43.3 集成功放的设计43.3.1 TEA2025B的OTL电路 44器件选择及参数计算54.3 输入电容的选取54.3自举电容的选取54.3反馈电阻电容的选取54.4输出电容的计算64.5音频输出器的选取65电路安装与调试65.1 电路的安装65.2 电路的调试与数据测定65.2.1 输出电压的测定75.2.2 输出功率的计算75.2.3 电源供电功率的测定75.2.4 效率的计算75.2.5 输出电压波形图 76 电路主要参数测定86.1 极限使用条件86.2典型工作点主要电参数86.3 波形参数97设计电路的特点及改进意见107.1 设计电路的特点107.2 电路改进意见108 元件列表109 心得体会11参考文献11摘要 本文介绍了采用集成功放芯片TEA2025设计高保真音频功率放大器的原理与方法，阐述了集成芯片的比较选取，重点分析了TEA2025功放电路的结构，记录了其各项性能指标。该功放的设计避免了单立元件组合电路布线复杂，输出信号失真大的缺点，TEA2025单声道功率放大集成电路，该电路具有声道分离度高、电源接通时冲击噪声小、外接元件少，最大电压增益可由外接电阻调节等特点。关键词：TEA2025；高保真；失真小；效率高Abstract This paper introduces an integrated power amplifier chip TEA2025 high-fidelity audio power amplifier design principle and method of chip on the comparative selection, focused on analyzing the structure of TEA2025 amplifier circuit record of its performance indicators. The amplifier design to avoid a single element circuit wiring complexity, the output signal distortion major shortcomings, TEA2025 single channel power amplifier integrated circuits, the circuit has a high channel separation, the impact of noise when connected to power a small external components less, the biggest gain by external resistor voltage regulator and so on.Key words: TEA2025; fidelity;small distortion ; efficient1 设计内容及要求1.1设计目的及主要任务1.1.1设计目的要求了解集成功率放大器内部电路工作原理，掌握其外围电路的设计与主要性能参数的测试方法。要求掌握音频功率放大器的设计方法与小型电子线路系统的装调技术。 1.1.2 设计任务及主要技术指标根据技术指标和已知条件，选择合适的功放电路，如：OCL、OTL或BTL电路。完成对高保真音频功率放大器的设计、装配与调试。 输出功率10W/8；频率响应2020KHz；效率>60；失真小。 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。（选做：用PSPICE或EWB软件完成仿真） 安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。1.2设计思想本次设计首先在众多集成功率放大器中选出符合设计要求且工作性能最佳的集成芯片。而整个设计的核心部分就在功放模块电路的设计，该模块完成的功能主要包括放大输入音频以及调节输出音频。随后运用Pspice软件中的仿真功能对其予以仿真，从仿真的结果中分析程序的正确性。待所有模块的功能正确之后，运用原理图搭建顶层电路并进行整体仿真直至达到最初的设计要求，最后再在实验箱上检验设计的正确与否。2 方案论证及整体电路工作原理2.1 方案确定与论证功率放大器的常见电路形式有单电源供电的OTL电路和正负双电源供电的OCL电路。有集成运放和晶体管组成的功率放大器，也有专用集成电路功率放大器芯片。根据设计指标及要求，选择TEA2025B功放芯片的OTL典型电路，该芯片具有音色甜美动听、性能优良，工作可靠，外围元件少以及安装方便等特点，电源电压从2.2V到16.8V均可以正常工作，对电源电压的适应范围很宽，静态电流小，电源电压增高时，输出功率增大。另有一种方案为集成功放芯片的OCL电路，这种电路采用正负双电源供电，该电路全部是直流耦合的，当某一级电路某一点出现故障时，多数情况下都将造成其余放大级电路静态工作点的牵连变化，出现声音失真甚至烧机。2.2 整体电路工作原理由一片TEA2025B接成OTL功率放大器，电路书要分为电源电路（由电源输入、电源稳压电路组成）、音频输入、TEA2025功放主体电路和音频输出。电路拟采用两种电源输入形式，USB接口输入和CK插头输入，适用于不同场合使用，USB主要用于电脑随放，CK 插头可接自制直流稳压电源亦可接一般随身听电源，非常方便。下图为设计电路整体框图： USB 电 源 输 入 CK插头 电 源 输 入AMS1117 稳压电路音 频 输 入 TEA2025 集 成 功 放 电 路 音 频 输 出3 电路单元模块设计3.1电源电路的设计考虑到电源获取的方便性，选取USB输出+5V电源和一般随身听4.5-6V电源作为本电源的供电模块。但如果上述电源直接输入，噪音太大，影响音质。故选取了噪声较低的集成稳压块1117-33作稳压作用，+5V输入，3.3V输出。经验证，此电压经TEA2025输出可以驱动8/3W喇叭发声。下面是1117整流电路图：图3-1 AMS1117整流电路3.2音频输入的设计音频输入用一般的耳机输出线改装而成。去掉耳机头，刮掉信号线表面胶漆，直接到集成功放输入端。3.3集成功放的设计3.3.1 TEA2025B的OTL电路TEA2025集成电路的输出功率由电源电压和负载阻抗大小决定。既可以构成单声道OTL功放，又可以组成BTL功放。本次课程设计采用其OTL典型电路，应用电路如下图所示：下面以表格的形式对各引脚做功能说明：表3-3-1 TEA2025集成电路的引脚功能及数据说明4 器件选择及参数计算4.1输入电容的选取该电路要加一输入耦合电容，以减小噪声输入选取一小电容足矣，故取0.22F瓷片电容。4.2自举电容的选取自举电容使输出幅值增加。建议值为100uF。自举电容器避免减少输出信号。此外，在低频和低电源电压时，有较好的减小失真的作用。4.3反馈电阻电容的计算图4-6 TEA2025反馈电路输出电压由电阻人R1、R2、C1决定，其增益由下式决定：当Rf=0，C1=100F，f=32Hz时，增益为46dB。4.4输出电容的计算最低输出频率由输出电容决定根据以下式子给出：当FL=100Hz,RL=8时，C=198.9 F，为留有余地，选取470F铝电解电容。4.5音频输出器的选择本设计选取了8/3W大纸盆喇叭。5 电路安装与调试5.1电路的安装按照电路设计图，在线路板上合理布局后，将元件焊接在线路板上，安装过程中，注意将电容尽量焊得离主芯片近些， AMS1117要加散热片；另外要避免虚焊。这样制作出的TEA2025B单声道OTL电路。其音效好，音质高，失真小；功率达标；响应频带宽；效率高。5.2电路的调试与数据测定要想功放各项指标都达到要求，有三大关键：1.要求电源品质高。最初的设计中并未使用1117稳压电路，电流噪声大，几乎完全压倒音频信号的输出。加1117稳压电路后，电源性能好，对音频信号干扰小。2.要求输入、输出滤波好。滤波不好，会输出很大噪音或者产生严重失真。音频信号输入端串接了0.22F瓷片电容，输出端串接470F电解电容，并联0.15F瓷片电容，起到了很好的滤波作用。3.要求喇叭性能好。经试音比较，选取了大纸盆喇叭，音质更好。5.2.1 输出电压的测定用函数发生器给安装好的电路提供频率为1KHz，峰峰值为300mV的正弦交流电压，用示波器观察输出端的波形，记录此时输出波电压的有效值，并记录下此时的波形图。实际调试过程中，测得输出电压的值为176.8mV。5.2.2 输出功率的计算在加8负载的情况下，根据功率计算公式求得输出功率为=4mW。5.2.3 电源供电功率的测定用开关电源给所设计的电路提供+5V的直流电压，将电路输入端断开，用万用表测得输入电流=20mA。应注意经AMS1117稳压后，提供给TEA2025B电路的电压只有3.3V，故根据功率计算公式可得电源供电功率=66mW。5.2.4 效率的计算根据上面测量计算出的输出功率和电源供电功率，可根据公式=，可计算出实际测试的效率只有6.06%。5.2.5 输出电压波形图根据5.2.1节的条件，示波器上显示的输出电压的波形图如下：图5-2-5 输出电压波形6 电路主要参数测定6.1极限使用条件在T.=25 -C时，电源电压Vcc=15 V.输出峰值电流10=1.5A。6.2典型工作点主要电参数TEA2025集成电路工作电源电压范围为3-12 V.典型工作电压6-9 V。在Vcc=9 V,RL=8。Ta=25条件下，有以下主要电参数。1) 静态电流ICQ 最大值为50 mA,典型值为40 mA。2) 电压增益GV 双声道时的最大值为47 dB，最小值为43 dB，典型值为45 dB; BTL 时的最大值 为53 dB，最小值为49 dB，典型值为51 dB。3) 输出功率PO 当THD=10%,P=1 kHz时，双声道时的典型值为1.3 W, BTL时的典型 值为4.7 W。4) 谐波失真THD 当F=1 kHz，Po=250 mW，RL=4。时，双声道时的最大值为1.5%，典型值为0.3%，BTL时的典型值为0.5%.列表如下：表6-2 典型工作点电参数6.3波形参数TEA2025输出电压-电流关系曲线，输入-输出电压关系曲线，输入电压-输出功率关系曲线，输出功率-总谐波失真关系曲线图。图6-3 参数曲线图7 设计电路的特点及改进意见7.1设计电路的特点本次课程设计所用的电路具有性能优良，工作可靠，外围元件少以及安装方便等特点，电源电压从2.2V到16.8V均可以正常工作，对电源电压的适应范围很宽，静态电流小，电源电压增高时，输出功率增大。7.2电路改进意见因在调试电路过程中发现输出功率及效率都不够指标的要求，分析电路可知，TEA2025B所构成的电路本身提供的输出功率就小，为了满足设计指标，可考虑添加电路中TEA2025B芯片的数量，也可扩展其外围电路，使得输出功率及效率满足设计要求。8元件列表元 件 列 表元件名称与规格数量元件名称与规格数量TEA2025B1片AMS11171片470F铝电解电容1个100F铝电解电容6个0.22F瓷片电容1个103J瓷片电容1个200电阻2个0.1F瓷片电容1个1电位器1个8、3W喇叭1个USB接口1个CK插头1个自制音频输出线1根导线若干9心得体会本次课程设计至此已经接近尾声，一周的时间虽然很短暂，但在这一个个星期的设计过程中收获颇丰。整个课程设计过程中首先对模拟电路这门课程有了更深的了解，因为课程设计本身要求将以前所学的理论知识运用到实际的电路设计当中去，在电路的设计过程中，无形中便加深了对模拟电路的了解及运用能力，对课本以及以前学过的知识有了一个更好的总结与理解；以前的模电实验只是针对某一个小的功能设计，而此次课程设计对我们的总体电路的设计的要求更严格，需要通过翻阅复习以前学过的知识确立了实验总体设计方案，然后逐步细化进行各模块的设计。这周下来，我对电路故障的排查能力有了很大的提高；再次，通过此次课程设计，我对设计所用到的软件有了更加深刻地了解，这对我们以后的工作和学习的帮助都很有用处。感谢学校给我们这次机会，锻炼了我们的动手能力。通过这次课设让我明白了理论和实际操作之间差距，而且也让我很明确得意识到自己在模电上有很多的知识漏洞，以后应该多钻研一下。同时也感谢指导老师在设计过程中的辅导以及同学的帮助。参考文献1康华光模拟电子技术基础武汉：高等教育出版社，2006.12郑国川，李洪英电子管功放设计和装调技术福州：福建科学技术出版社，2005.2 3科林，张贞AV功放机实用单元电路原理与维修图说北京：电子工业出版社，2004.14李万臣，模拟电子技术基础实验与课程设计，哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，20015TEA2025B STEREO AUDIO AMPLIFIER，SGS-THOMSON Microelectronics，1994本科生课程设计成绩评定表姓 名张逸帆性 别 男专业、班级电子科学与技术0703课程设计题目： 高保真音频功率放大器的设计课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日