ZHAO高保真音频功率放大器设计

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高保真音频功率放大器设计

High fidelity audio power amplifier design

学 院（系）： 电子信息与电气信息学部 专 业： 电气信息类 学 生 姓 名： 赵志军 学 号： 201181384 指 导 教 师： 评 阅 教 师： 完 成 日 期：

大连理工大学

Dalian University of Technolog

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摘 要

论文主要介绍利用优秀的集成芯片TDA2930、LM324设计高保真音频功率放大器的模拟实现过程，并讨论功率放大器的基本原理。通过PROTEL软件的电路仿真实验的分析和调试，并且得出较为理想的性能表现。

本设计主要由电源部分、前级放大单元、音调调节级、音量调节级、功率放大级、负载六部分组成。它的作用主要是放大音频信号。为了保证功放效果，电路采用TDA2030作为功放IC，因为它具有失真小、功率大、外围元件少、开机冲击极小、内含各种保护电路、保真度高等优点，所以用它来做电脑有源音箱的功率放大部分或MP4等小型功放再合适不过，此实验很有实际价值。。且采用LM324做运算放大器。

功放，可以说是各类音响器材中最大的一个家族了，其作用主要是将音源器材输入的较微弱信号进行放大后，产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放是音频功率放大器的主要部分。

关键词： 高保真；放大器 ；运放; 功放 ;PROTEL;PCB ;LM324 ;TDA2030

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High fidelity audio power amplifier design

Abstract

Paper mainly introduces the use of excellent integrated chips TDA2930, LM324 design high-fidelity audio power amplifier simulation of the implementation process, and discuss the basic principle of power amplifier. Through the simulation software PROTEL circuit analysis and commissioning, and believes that the ideal performance.

This design mainly by power supply part, former amplifier unit, tone adjustment level, volume control, power amplifier grade level, load six parts. It is the main roles of the amplifier audio signal. In order to ensure power amplifier effect, the power amplifier circuit TDA2030 as IC, because it has the distortion is small, big power, peripheral components, less impact on very little, containing various kinds of protection circuit, the advantages of high fidelity, so use it to do computer active sound box power amplifier part or the MP4 and other small power amplifier is again appropriate but. And the LM324 do operational amplifier.

Power amplifier, can say is the biggest of all kinds of audio equipment of a family, and its function mainly is the audio source equipment input a weak signal after amplification, generate enough current to drive a speaker for the replay of voice. Is the main part of the audio power amplifier.

Key Words：High fidelity; Amplifier; Op-amp; Power amplifier; PROTEL; PCB; LM324; TDA2030

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目 录

摘 要 ................................................................................................................................... II Abstract .................................................................................................................................... III 1 绪论 ......................................................................................................................................... I

1.1 .................................................................................................................................. - 1 - 1.2 .................................................................................................................................. - 1 - 1.3 .................................................................................................................................. - 1 - ………… ....................................................................................................................... - 1 - 2 EDA工具软件 ................................................................................................................... - 2 -

2.1 .................................................................................................................................. - 2 -

2.1.1 ....................................................................................................................... - 2 - 2.1.2 ....................................................................................................................... - 2 -

…… .......................................................................................... 错误！未定义书签。 2.2 .................................................................................................................................. - 2 -

2.2.1 ....................................................................................................................... - 2 - 2.2.2 ....................................................................................................................... - 3 - …… ....................................................................................................................... - 4 - …… .................................................................................................. 错误！未定义书签。 3 Protel .................................................................................................................................. - 5 -

3.1 概述 ........................................................................................................................ - 5 -

3.1.1 ....................................................................................................................... - 5 - 3.1.2 .......................................................................................... 错误！未定义书签。 3.2 原理图绘制 ............................................................................................................ - 6 -

3.2.1 ....................................................................................................................... - 6 - 3.2.2 ....................................................................................................................... - 6 - 3.3 PCB图绘制 ............................................................................................................ - 7 - 3.4 封装库制作 ............................................................................... 错误！未定义书签。 4 高保真音频功率放大器原理 ......................................................................................... - 11 -

4.1 设计指标 .............................................................................................................. - 11 - 4.2 系统框图 .............................................................................................................. - 11 - 4.3 原理图 .................................................................................................................. - 12 - 4.4 高保真音频功率放大器原理 .............................................................................. - 12 -

4.4.1 运算放大器与基本放大电路 ................................................................... - 12 - 4.4.2 集成运算放大器LM324 .......................................................................... - 13 -

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4.4.3 功率放大器TDA2030 .............................................................................. - 15 - 4.4.4 各模块功能与参数设计 ........................................................................... - 15 -

结 论 ............................................................................................................................. - 17 - 参 考 文 献 ....................................................................................................................... - 18 - 附录 ..................................................................................................................................... - 19 -

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1 绪论

高保真功率放大器是高保真音响系统的核心部件，其最基础的功能是把信号源送来的微弱声频信号不失真地加以放大，最后推动扬声器发出优美宏亮的声音。它决定输出功率的大小，要求输出效率高，输出功率大的特点。

1.1 应用

高效率的音频放大器不只是在便携式的设备中需要，在大功率的电子设备中也需要。因为，功率越大，效率也就越重要。而随着人们的居住条件的改善，高保真音响设备和更高档的家庭影院也逐渐开始兴起。在这些设备中，往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率。这时，低失真、高效率的音频放大器就成为其中的关键部件。

1.2实际要求

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。

1.3 思路

首先确定整体电路设计内容、级数，了解其原理，明确所要达到的目的，恰当设计电路。再根据各级的功能、技术指标要求，对整机作适当安排，确定各级增益分配，然后对各级电路进行具体的设计计算 。最后通过protel进行绘制，得到成果。

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2 EDA工具软件

2.1 EDA简介

2.1.1 EDA技术介绍

EDA技术就是以计算机为工具，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动设。设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言VHDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度。利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。 2.1.2 EDA软件分类

EDA设计可分为系统级、电路级和物理实现级。EDA工具软件可大致可分为芯片设计辅助软件、可编程芯片辅助设计软件、系统设计辅助软件等三类。 目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件是系统设计软件辅助类和可编程芯片辅助设计软件：Protel、Altium Designer、PSPICE、multiSIM10(原EWB的最新版本)、OrCAD、PCAD、LSIIogic、MicroSim、ISE、modelsim、Matlab等等。这些工具都有较强的功能，一般可用于几个方面，例如很多软件都可以进行电路设计与仿真，同进还可以进行PCB自动布局布线，可输出多种网表文件与第三方软件接口。

2.2 EDA应用

2.2.1使用领域

现在对EDA的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、

矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。目前EDA技术已在各大公司 、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到EDA技术。

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2.2.2 EDA的作用

用于电路的IC设计工具很多，其中按市场所占份额排行为Cadence、Mentor Graphics和Synopsys。这三家都是ASIC设计领域相当有名的软件供应商。其它公司的软件相对来说使用者较少。中国华大公司也提供ASIC设计软件（熊猫2000）；另外近来出名的Avanti公司，是原来在Cadence的几个华人工程师创立的，他们的设计工具可以全面和Cadence公司的工具相抗衡，非常适用于深亚微米的IC设计。下面按用途对IC设计软件作一些介绍。

①设计输入工具 这是任何一种EDA软件必须具备的基本功能。像Cadence的composer，viewlogic的viewdraw，硬件描述语言VHDL、Verilog HDL是主要设计语言，许多设计输入工具都支持HDL（比如说multiSIM等）。另外像Active-HDL和其它的设计输入方法，包括原理和状态机输入方法，设计FPGA/CPLD的工具大都可作为IC设计的输入手段，如Xilinx、Altera等公司提供的开发工具Modelsim FPGA等。

②设计仿真工作 我们使用EDA工具的一个最大好处是可以验证设计是否正确，几乎每个公司的EDA产品都有仿真工具。Verilog-XL、NC-verilog用于Verilog仿真，Leapfrog用于VHDL仿真，Analog Artist用于模拟电路仿真。Viewlogic的仿真器有：viewsim门级电路仿真器，speedwaveVHDL仿真器，VCS-verilog仿真器。Mentor Graphics有其子公司Model Tech出品的VHDL和Verilog双仿真器：Model Sim。Cadence、Synopsys用的是VSS（VHDL仿真器）。现在的趋势是各大EDA公司都逐渐用HDL仿真器作为电路验证的工具。

③综合工具 综合工具可以把HDL变成门级网表。这方面Synopsys工具占有较大的优势，它的Design Compile是作为一个综合的工业标准，它还有另外一个产品叫Behavior Compiler，可以提供更高级的综合。 另外最近美国又出了一个软件叫Ambit，据说比Synopsys的软件更有效，可以综合50万门的电路，速度更快。今年初Ambit被Cadence公司收购，为此Cadence放弃了它原来的综合软件Synergy。随着FPGA设计的规模越来越大，各EDA公司又开发了用于FPGA设计的综合软件，比较有名的有：Synopsys的FPGA Express， Cadence的Synplity， Mentor的Leonardo，这三家的FPGA综合软件占了市场的绝大部分。

④布局和布线 在IC设计的布局布线工具中，Cadence软件是比较强的，它有很多产品，用于标准单元、门阵列已可实现交互布线。最有名的是Cadence spectra，它原来是用于PCB布线的，后来Cadence把它用来作IC的布线。其主要工具有：Cell3，Silicon Ensemble-标准单元布线器；Gate Ensemble-门阵列布线器；Design Planner-布局工具。其它各EDA软件开发公司也提供各自的布局布线工具。

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⑤物理验证工具 物理验证工具包括版图设计工具、版图验证工具、版图提取工具等等。这方面Cadence也是很强的，其Dracula、Virtuso、Vampire等物理工具有很多的使用者。

⑥模拟电路仿真器 前面讲的仿真器主要是针对数字电路的，对于模拟电路的仿真工具，普遍使用SPICE，这是唯一的选择。只不过是选择不同公司的SPICE，像MiceoSim的PSPICE、Meta Soft的HSPICE等等。HSPICE现在被Avanti公司收购了。在众多的SPICE中，HSPICE作为IC设计，其模型多，仿真的精度也高。 ……

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3 Protel

3.1 概述 Protel软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

3.1.1 protel的发展

PCB（Printed-Circuit Board）设计软件种类很多，如Protel、Altium Designer、OrCAD、Viewlogic、PowerPCB、Cadence PSD、MentorGraphices的Expedition PCB、Zuken CadStart、Winboard/Windraft/Ivex-SPICE、PCB Studio、TANGO、PCBWizard（与LiveWire配套的PCB制作软件包）、ultiBOARD7（与multiSIM2001配套的PCB制作软件包）等等。 目前在我国用得最多当属Protel，下面仅对此软件作一介绍。

Protel是PROTEL（现为Altium）公司在20世纪80年代末推出的CAD工具，是PCB设计者的首选软件。它较早在国内使用，普及率最高，在很多的大、中专院校的电路专业还专门开设Protel课程，几乎所在的电路公司都要用到它。早期的Protel主要作为印刷板自动布线工具使用，其最新版本为Altium Designer 10，现在普遍使用的是Protel99SE，它是个完整的全方位电路设计系统，包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印刷电路板设计（包含印刷电路板自动布局布线），可编程逻辑器件设计、图表生成、电路表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户/服务体系结构）， 同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD、PSPICE、EXCEL等。使用多层印制线路板的自动布线，可实现高密度PCB的100%布通率。Protel软件功能强大（同时具有电路仿真功能和PLD开发功能）、界面友好、使用方便，但它最具代表性的是电路设计和PCB设计。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/uxv.html