音频功率放大器

音频功率放大器的设计 音频功率放大器 一、实验目的 1. 熟悉集成功率放大器的工作原理，掌握测试集成功率放大器性能指标的，体会功率放大器的作用。 2. 掌握音调控制电路参数的估算与测试方法。 3. 学习和掌握分析、调试具体音频功率放大器电路的方法与技能。 二、实验原理 （一）基本概念 在放大器的输出端，电压、电流和功率三者都是相互伴随而同时存在的，以提供负载足够大的功率为主要目标的放大器，称之为功率放大器，简称“功放”。其作用是把信号进行功率放大，提供不失真的一定功率的信号，当负载一定时，要求功率放大器输出功率尽可能大，输出非线性失真尽可能小。其应用十分广泛，如驱动扬声器、电机、计算机显示器和电视机扫描偏转线圈等，都是功率放大器的应用实例。 以音响系统为例，在很多情况下主机的额定输出功率不能带动主机的音响系统，这是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，功率放大器在整个音响系统中起到了组织协调的作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。 （二）基本参数 功率放大器的基本参数有： 1. 直流电源供给功率PE。直流电源供给功率，是指在功率放大器中直流电源实际输出的功率。在实际应用中，直流电源的输出电流I随输入信号的幅频而变化。因此，通常可以在放大器的输入端施加一幅值稳定的信号进行测量。 PE=VCC×I 2. 最大不失真输出功率Pom。最大不失真输出功率，是指在加大输入信号，直至输出电压波形临界失真为止时的输出功率。 Pom= （Vom为有效值） 3. 电路的最大效率 4. 功率放大器的增益AV 5. 功率放大器的带宽。对于一般的交流放大电路，输出幅值随输入信号频率的变化称为幅频特性。在一个较宽的频率范围内，幅频特性曲线是平坦的，即若放大器的输入电压幅值不变，在此范围内输出电压值不随信号的频率而变化。保持输入信号幅值不变，而降低输入信号的频率，当输出电压降至曲线平坦部分电压值的0.707倍时的输入信号的频率称为下限频率，记为 。保持输入信号的幅值不变，升高输入信号的频率，当输出电压下降至曲线平坦平坦部分电压值的0.707倍时的输入信号频率称为上限频率，记为 。 和 之间的 ，称为放大器的通频带或带宽BW. （三）常见集成功率放大器 常见的功率放大器电路形式主要有OTL电路和OCL电路。它们中的晶体管均工作在乙类状态，而且既可以由分立元件组成，也可以以专用集成功率IC的形式出现。 由于在实用功率放大器电路中多选用集成功率IC来设计，因而这里挑选两款功放IC做一简单介绍。 1.集成功率放大器LM386介绍 LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。LM386的供电电源电压范围为4~15V，输入阻抗为50k ，频带宽度为300kHz，其管脚排列及典型应用分别如图1、2所示。 图1 LM386外形及引脚 图2 LM386典型应用 2.集成功率放大器TDA2030介绍 TDA2030为单片低频类AB放大器集成电路。它输出功率大，典型输出功率为18W，输出电流峰值最大可达3.5A（±16V或±28V），谐波失真低，并且有负载短路保护以及过热和安全工作区保护，可以单电源使用，也可双电源使用，也可桥式连接使用，特别适合于组装高性能的功率放大器。TDA2030使用方便、外围所需元器少，一般不需要调试即可成功。其管脚排列及典型应用分别如图3、4所示。 图3 TDA2030A外形及引脚 图4 TDA2030A典型应用 注：由于TDA2030输出功率较大，因此需加散热器。而TDA2030的负电源引脚(3脚)与散热器相连,所以在装散热器时,要注意散热器不能与其他元器件相接触。 （四）音调控制电路 音调控制主要是控制、调节音响放大器的幅频特性。理想的音频放大器控制曲线如图5所示，图中， 表示中音频率，要求增益为0dB。 表示低音频转折（或截止）频率，一般为几十赫兹； （等于10 ）表示低音频区的中音频转折频率； 高音频区的中音频转折频率， （等于10 ）表示高音频转折频率；一般为几十千赫兹。由图可见音调控制器只对低音频和高音频的增益进行提升和衰减，中音频的增益保持不变。因此，音频控制器的电路可以由低通滤波器与高通滤波器构成。由运算放大器构成的音调控制器，如图6所示。这种电路调节方便，元器件少，在一般收录机、音响放大器中应用较多。电路的工作原理请查阅相关资料。 图5 音调控制曲线 图6 音调控制电路 三、实验内容 （一）基础实验部分 1.计算机仿真 （1）功率放大器仿真电路图如图7所示。 图7 TDA2030功率放大电路 （2）测试输入信号及输出波形分别如图8通道A,B所示。 （3）在输出端加1KHZ，峰峰值为20mV的正弦波信号，调节滑动变阻器，逐渐加大输入电压的幅值，直接用示波器观察到 的波形为临界失真（即输出信号最大）为止。用示波器测出 和 ，读出此时稳定电源所指的电源电压 和电流I，算出 , , 和 ，并将结果填入表1中。 （4）用波特图绘制仪绘出网络的波特图，由波特图读出功率放大器的 ，记入表1中。 （5）将仿真电路图中负载电阻 阻值改为3.9 ,其余保持不变。重复本部分（3），计算出 。 表1 功率放大器仿真测试数据记录 2.实验室操作 （1）根据图7正确连接电路，确认电路连接无误后，接通电源。 （2）在输入端加1KHZ的正弦波信号，逐渐加大输入电压的幅值，直接用示波器观察到 的波形为临界失真（即输出信号最大）为止。用示波器测出 和 ，读出此时稳定电源所指的电源电压 和电流I，算出 , , 和 ，并将结果填入表2中。 （3）保持输入信号幅值不变，逐渐增加输入信号频率，直到输出波形减小为原来的 （即0.707倍），此时信号频率即为放大器的上限频率 ，记入表2中。 （4）条件同上，逐渐减小输入信号频率，测得放大器的下限频率 。 表2 功率放大器测试数据记录 测试数据 （二）提高型实验部分 1.实验任务 制作一款实用音频功率放大器，该音频功率放大器具有电源模块、音量控制模块、音调控制模块、功率放大模块。要求对实际电路进行合理的分析，理解电路中各部分模块的作用及整机工作原理，并对相应模块进行实验数据测量，从得出的实验数据分析并体会各部分电路的原理及作用。 2.实验过程及步骤 （1）音调控制电路基本参数的测试 1）调整低音段音调旋钮，使之成最大衰减状态，同时调整高音段音调旋钮，使之成最大提升状态。在单元电路输入端加上大小约为50mVrms的正弦波信号，逐渐加大输入电压的频率，直接用示波器观察单元电路输出端 的幅度变化情况，同时选择适当数量的观测点记录幅频特性数据并填入表3中。 2）调整低音段音调旋钮，使之成最大提升状态，同时调整高音段音调旋钮，使之成最大衰减状态。在单元电路输入端加上大小约为50mVrms的正弦波信号，逐渐加大输入电压的频率，直接用示波器观察单元电路输出端 的幅度变化情况，同时选择适当数量的观测点记录幅频特性数据并填入表3中。 表3 音调控制曲线幅频特性记录表 低音衰减高音提升 频率 Uo 低音提升高音衰减 频率 Uo 3）绘制完整的音调控制曲线，并确定和计算该音调控制器的通频带和低（高）音频转折频率处得增益，同时把数据填入表4中。 4）在单元电路输入端分别加上大小约为100Hz（低音）和8KHz（高音）的正弦波信号，分别相应的调整低音段音调旋钮和高音段音调旋钮，使之从最大衰减状态旋转到最大提升状态，分别测量其音量调节范围（音调控制特性，是一个分贝值，具有正负两个方向），同时把数据填入表4中。 表4 音调控制电路性能指标记录表 （2）功率放大器电路基本参数的测试 1）在单元电路输入端加1KHz的正弦波信号，逐渐加大输入电压的幅值，直接用示波器观察到 的波形为临界失真（即输出信号最大）为止。用示波器测出 和 ，读出此时稳定电源所指的电源电压 和电流I，算出 , , 和 ，并将结果填入表2中。 2）保持输入信号幅值不变，逐渐增加输入信号频率，直到输出波形减小为原来的 （即0.707倍），此时信号频率即为放大器的上限频率 ，记入表2中。 3）条件同上，逐渐减小输入信号频率，测得放大器的下限频率 。 四、思考题 1.什么是音调控制电路？它的基本参数有哪些？它和普通的滤波器有什么区别？ 2.什么是功率放大器？它的基本参数有哪些？它和运算放大器有什么区别？ 五、及有关说明 输出功率较大时，功放集成电路会发烫，这是正常现象，但注意不要加过大的输入信号或者直流电源电压，以免烧毁集成芯片。 六、#实验#参考提纲 （一）实验目的 （二）实验原理 1．电源模块 2.音量控制模块 3.音调控制模块 4.功率放大模块 （三）实验器材 （四）实验内容 （五）实验