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高保真音频功率放大器设 计报告书
1 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 ①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. ②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. ① 输出功率 10W/8Ω; 频率响应 20~20KHz; 效率>60％; 失真小. ② 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) ③ 安装调试并按规定格式写出课程设计报告书.
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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,
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非常方便.下图为设计电路整体框图:
USB 电 源 输 入 AMS1117 CK 插头 电 源 输 入 稳压电路 集 成 功 放 TEA2025
音 频 输 出
电 路
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 8Ω/3W 喇叭发声. 下面是 1117 整流电路图:
音
频
输
入
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.
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3.3 集成功放的设计 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 式对各引脚做功能说明:
表格的形
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 0.22 μF 瓷片电容.
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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:
VOUT R1 = VIN Rf + R 2 +
1 jwC 1
当 Rf=0,C1=100μF,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:
FL =
4.5 音频输出器的选择
1 2 ∏ COUT RL
当 FL=100Hz,RL=8Ω时,C=198.9 μF,为留有余地,选取 470μF 铝电解电容.
本设计选取了 8Ω/3W 大纸盆喇叭.
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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 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 0.22 μF 瓷片电容,输出端串接 470μF 电解电容,并联 0.15μF 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 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 8Ω负载的情况下,根据功率计算公式 P ≈ Po =4mW.
2 U RL
RL
求得输出功率为
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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 I i =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 Pi =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 η = 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: Po
,可
Pi
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.
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6.2 典型工作点主要电参数 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 V cc=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 4 5 dB; BTL 3) 时的最大值 为 53 dB,最小值为 49 dB,典型值为 51 dB.
输出功率 PO 当 THD=10%,P=1 kHz 时,双声道时的典型值为 1.3 W, BT 值为 4.7 W.
L 时的典型
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
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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.
参数曲线图 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
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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
TEA2025B 470μF 铝电解电
容 0.22μF 瓷片电容 200Ω电阻 1 Κ 电位器 USB 接口 自制音频输出线
数量
1片 1个 1个 2个 1个 1个 1根
元件名称与规格
AMS1117 100μF 铝电解电容 103J 瓷片电容 0.1μF 瓷片电容 8Ω,3W 喇叭 CK 插头 导线
数量
1片 6个 1个 1个 1个 1个 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
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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,2006.1. [2]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,2004.1. [4]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,2001 [5]TEA2025B STEREO AUDIO AMPLIFIER,SGS-THOMSON Microelectronics, 1994
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