常用集成器件应用
课程设计
项 目 名 称 2.1音响--音频功率放大器设计
学 院 信息与电子工程学院
专 业 物联网工程
班 级 121班
姓名 、学号 陈方杰 、 1120232021
指 导 教 师 钟海伟
二零一五一月
目录
摘 要 ........................................ 错误！未定义书签。
第一章 简介 .................................. 错误！未定义书签。
第二章 滤波器和音频功率放大器的分类 ........................... 3
2.1 滤波器的分类 ............................................. 3
2.1.1 高通滤波器 ........................................... 3
2.1.2 低通滤波器 ........................................... 3
2.1.3 带通滤波器 ........................................... 3
2.2 功率放大器的分类 ......................................... 3
2.2.1 按器材分类 ........................................... 4
2.2.2 按功能分类 ........................................... 4
2.2.3 按用途分类 ........................................... 5
第三章 音频功率放大器的设计 .................................. 6
3.1 设计要求 ................................................. 6
3.2 设计思路 ................................................. 6
3.3 方案选择 ................................................. 6
3.3.1 功放类型的选择 ....................................... 6
3.3.2 实现电路的选择 ....................................... 7
第四章 单元模块设计 .......................................... 9
4.1 前置放大模块 ............................................. 9
4.1.1 集成运放 ............................................. 9
4.1.2 LM324简介 ........................................... 9
4.1.3 输入放大电路 ........................................ 10
4.2 音量控制模块 ............................................ 11
4.3 音调控制模块 ............................................ 12
4.4 功率放大器模块 .......................................... 14
4.4.1 重低音放大电路 ...................................... 14
4.4.2 有源低通滤波器（LPF） ............................... 15
4.4.3 左右声道放大电路 .................................... 17
4.4.4 TDA2030简介 ......................................... 17
4.5 电源模块 ................................................ 20
4.5.1 电源电路的系统结构 .................................. 20
4.5.1 电源电路 ............................................ 20
第五章 布线及布线时的注意事项 ................ 错误！未定义书签。
5.1 信号线及焊盘 ............................................ 23
5.2 地线的设计 .............................................. 23
5.3 布线方法 ................................................ 23
总 结 ........................................................ 24
参考文献 ...................................................... 25
附录 音频功率放大器电路原理图 ................................ 26
2.1音频功率放大器设计
摘 要：设计了一个带音调控制的音频放大电路，该电路具有对音频信号放大的功能。该电路主要由前置放大电路、音调控制电路及功率放大电路三部分构成，其中，前置放大电路采用LM324的四运放集成电路来实现电压的放大；音调控制电路主要由负反馈高低音调节；重低音放大电路主要由LM1875功率集成块及NE5532运放等元器件组成；左右声道放大电路主要由TDA2030功率集成电路组成，并应用了无源RC滤波器作为通道的传输。
关键词：前置放大电路；功率放大器；音调控制；TDA2030
第一章 简介 2.1音响是由一个低音音箱（一般称之低音炮）和一对低音较弱的全频音箱（一般称之卫星箱）组成，少数2.1音箱的卫星箱会做成两分频的。
“2.1”中的“2”是指标准双声道（立体声）； “2.1”中的“.1”是指单独分频输出一般约100Hz以下的“低音”声道。 2.1音箱的分频设计：如果是将卫星箱扬声器单元设计成一个全频带扬声器，那么由于只有一个扬声器，理论上回放频率范围为20Hz～20kHz，但实际应用中是很难做到的。有的卫星箱箱体体积和扬声器口径较小，这样可能会导致中音不够丰满，不过采用这种设计的卫星音箱外观多半做得小巧，且成本低廉。
还有一种分频设计是在卫星音箱的扬声器上使用了高音扬声单元和一个中低音扬声单元的搭配，这样能使低、中、高三部分都有较好的表现，但这类音箱的卫星箱普遍体积较大。
2.1音箱的声道设计。2.1音箱拥有两个独立的功放模块，一个为立体声负责卫星音箱的模块，一个为重低音专门负责低音音箱的模块，立体声模块为独立的左（L）、右（R）声道功放块，重低音为左右声道联合过滤后的稍大功率功放块。因为重低声为联合过滤，所以在输入的左右声道中有一条线断开，另一个对应的音箱也会发出轻微的声音，这可以用于测试音箱品质上，可以只接一条左或右的音频输入线，听另一个卫星音箱的音量相对是大是小，越小越好，重低音在输入一条和两条间的变化，越小越好。
第二章 滤波器和音频功率放大器的分类
2.1滤波器的分类
2.1.1高通滤波器
高通滤波器是指功放中能够让中、高频信号通过而不让低频信号通过的电路，其作用是滤去音频信号中的低音成分，增强中音和高音成分以驱动扬声器的中音和高音单元。此外高通滤波器常常和低通滤波器成对出现，不论哪一种，都是为了把一定的声音频率送到应该去的单元。
2.1.2低通滤波器
低通滤波器是指功放中能够让低频信号通过而不让中、高频信号通过的电路，其作用是滤去音频信号中的中音和高音成分，增强低音成分以驱动扬声器的低音单元。由于功放大部分都是全频段功放，通常采用AB类放大设计，功率损耗比较大，所以滤除低频段的信号，只推动中高频扬声器是节省功率、保证音质的最佳选择。此外高通滤波器常常和低通滤波器成对出现，不论哪一种，都是为了把一定的声音频率送到应该去的单元。
2.1.3带通滤波器
所谓带通就是让它们在规定频率范围内通过高通滤波器+低通滤波器=带通滤波器。比如:600Hz-5KHz的带通滤波器先做一个600Hz的高通滤波器,再做一个5KHz的低通滤波器,让通过的频率在高通滤波器中滤掉600Hz以下的频率,然后经过低通滤波器滤波器滤掉5KHz以上的频率,剩下的就是600Hz-5KHz的频率的了! "高阻滤波器+低阻滤波器=带通滤波器"的原理同理。
2.2功率放大器的分类
功率放大器简称功放，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。由于考虑功率、阻抗、失真、动态以及不同的使用范围和控制调节功能，不同的功放在内部的信号处理、线路设计和生产工艺上也各不相同。
以其主要用途来说，功放可以分做两大类别，即专业功放与家用功放。在体育馆场、影剧场、歌舞厅、会议厅或其它公共场所扩声，以及录音监听等场所使用的功放，一般说在其技术参数上往往会有一些独特的要求，这类功放通常称为专业功放。而用于家庭的Hi－Fi音乐欣赏，AV系统放音，以及卡拉OK娱乐的功放，通常我们称为家用功放。
本期只介绍跟我们家庭息息相关的家用功放。
2.2.1按器材分类
按电路所用的器材分类，功放可以分为电子管放大器、晶体放大器和集成电路放大器。
电子管放大器(俗称“胆机”)采用电子管作为放大器，其主要优点是动态范围大、线性好、音色甜美悦耳。但电子管功放也存在两个问题，一是内阻大导致放大器阻尼系数小，影响瞬态特性，二是电子管需高压供电，离不开变压器，变压器不仅功耗大、体积大，还会导致失真。
克服电子管功放的两个缺点，晶体管放大器阻尼系数可做得很高，有良好的瞬态特性，在声音的节奏感、力度上要比胆机明快、爽朗、有力；而且无需变压器，不仅节省成本，缩小体积，而且避免了由变压器所引起的失真。
最后一种是集成电路放大器，它最突出的优点是可靠性高、外围电路简单、组装方便，不足之处是电声指标(功率、频响、失真度、信噪比等)和音质皆不如前两类放大器。
2.2.2按功能分类
按照功能分类，功放可以分为前级功放、后级功放和合并式功放。
1、前级功放
主要作用是对信号源传输过来的节目信号进行必要的处理和电压放大后，再输出到后级功放。它就像铁路岔道一样，控制切换哪一路音源信号接入功放，哪一路音源信号与功放断开。
2、后级功放
后级功放是进行单纯功率放大的部分，它的作用就是尽可能原原本本地放大来自于前级的信号，我们对后级的要求是，放大倍数尽可能高，而放大后信号的失真程度应尽可能低。除放大电路外，还设计有各种保护电路，如短路保护、过压保护、过热保护、过流保护等。这两类功放一般只在高档机采用。
3、合并式放大器
合并式放大器，将前级放大器和后级放大器合并为一台功放，兼有前二者的功能，通常所说的放大器都是合并式的，应用的范围较广。一般来看，合并式功放的功率较前、后级功放小，重放的效果也比前、后级功放差，但合并式功放价钱较便宜，且使用方便，完全能够满足一般的家庭需要。
2.2.3按用途分类
就功放的用途来区分，家用功放分为Hi－Fi功放和AV功放。
1、Hi－Fi功放
Hi－Fi是英语High－Fidelity 的缩写，意指高度保真，即纯音乐功放，是音乐发烧友的最爱。Hi－Fi功放的输出功率大都在2×150瓦以下。Hi－Fi在设计上强调最低的信号失真，忠实地表现出音乐的场面、细节和演奏、录制的技巧等来满足人们对音乐的最佳欣赏要求。一般用于Hi－Fi的功放都是胆机。Hi－Fi功放就扩声形式而言，只适用于两声道立体声的重播。
2、AV功放
AV功放是Audio&Video的缩写，即影音功放，它能同时连接5－6个音箱(左右主音箱、中置音箱、左右环绕音箱、超重低音)并驱动它们发出声音。AV功放从诞生到现在，经历了杜比环绕，杜比定向逻辑，AC－3，DTS(均是音频解码方式)的发展进程。AV功放与普通功放的区别，在于AV功放有AV选择杜比定向逻辑解码器，AC－3，DTS解码器和五声道功率放大器，以及画龙点睛的数字声场DSP电路。鉴于欣赏碟片中多声道录音效果的需要，AV功放的每声道功率输出也会不同，一般来说主声道功率最大，中置次之，环绕最小，这方面的代表是带有杜比定向逻辑环绕声放的功放。为了增加使用乐趣，大多数AV功放都附有DSP，为各种节目播放提供不同的声场效果。
本次制作功放部分采用高保真集成块电路采用TDA2030与LM1875，该集成电路外围电路极其简洁，而且还有过热、静噪、短路等保护电路。
第三章 音频功率放大器的设计
3.1设计要求
本课程要求设计与制作一款适合电脑多媒体2.1音箱的有源功率放大器，系统包括重低音功率放大器、左右声道功率放大器、音量调节、电源等组成。
性能主要指标：
额定输出功率：低音≥10W；中高音≥2*5W
频率响应：低音1KHZ
3.2设计思路
本系统为2.1声道功率放大输出，左右声道信号源Lin和Rin经高通滤波器，送至各左右声道功率放大器，最后馈至左右声道扬声器；重低音通道由Lin和Rin混合至带通滤波器，再经功率放大器送至重低音扬声器。方案见图3.1所示。Lin左声道输入高通滤波器左声道功率放大器扬声器
带通滤波器重低音功率放大器扬声器
Rin右声道输入右声道功率放大器扬声器
图3.1 系统方案图
3.3 方案选择
3.3.1 功放类型的选择
方案一：采用A类、B类、AB类功率放大器。这几种放大电路的共同特点是晶体管都工作在线性放大区中，它按输入音频信号的大小控制着输出信号，但自身也在消耗电能。A类功率放大器的特点是线性好、失真小且失真成分以偶次谐波为主，通常需要偏置电压才能工作，能量转换效率很低，输出功率一般较小并且理论效率只有50%，所以
不行。B类功率放大器虽然不需要偏置电压，靠信号本身来导通放大管，理论效率可达78.5%，但电路在小信号时失真严重。通常，在电路中略加一点偏置形成AB类功率放大器，虽然效率略有下降，但保真度高、小信号时失真减弱。
方案二：采用D类功率放大器。D类功率放大器基本构成框图如2-1所示，它是用音频信号的幅度调制高频脉冲的宽度，功率输出管工作在高频开关状态，通过LC低通滤波器后输出音频信号。由于输出管工作在开关状态，故具有极高的效率（理论上为100%，实际电路可以达到80%～95%），但D类功放也有不足之处，就是保真度低、输出音质较差，所以一般应用于手持式设备（如手机、PDA等）。
图3.2 D类音频功率放大器基本构成图
以上两个方案中，D类音频功放虽然具有效率高、体积小、输出功率大、低EMI、具备多种工作模式等特点，但保真度不及传统功放。传统的模拟音频功放保真度高，但效率低、能耗大，且要求有良好的散热设备。本设计选用第一种方案，以性价比较高、音质较好、价格较低、外围元件较少、应用较方便的集成功放TDA2030为核心设计相关硬件。
3.2.2 实现电路的选择
首先确定整机电路的级数，再根据各级的功能及技术指标要求分配电压增益，然后分别计算各级电路参数，通常从功放级开始向前逐级计算。基于模拟功放TDA2030的音频放大器如图2-2所示，主要由电源模块、前置放大模块、音量控制模块及功率放大模块和扬声器组成。
图2-2 基本组成框图
各部分的基本功能如下： 1.前置放大模块
前置放大模块是把音频信号放大至功率放大器所能接受的输入范围。它具有两个功能：一是要选择所需要的音源信号，并放大到额定电平；二是要进行各种音质控制，以美化声音。其基本组成由音源选择、输入放大和音质控制等电路。
2.音量控制模块
音量控制模块是将前置放大后的信号通过电位器来控制TDA2030A芯片的输入信号的大小，用来控制整个音量的大小。
3.音调控制模块
音调控制电路用来对音频信号各频段内的信号进行提升或衰减，调节输入信号的低
频、中频、高频成分的比例，改变前置放大器的频率特性，以补偿音频系统各环节的频率失真。
4.功率放大模块
给音频放大器的负载RL(扬声器)提供一定的输出功率。当负载一定时，希望输出功率尽可能大，输出信号的非线性失真尽可能小，效率尽可能大。
第四章 单元模块设计
4.1 前置放大模块设计
前置放大模块基本组成是有输入放大和音质控制等电路。其作用一是要选择所需要的音源信号，并放大到额定电平；二是要进行各种音质控制，以美化声音。这里的前置电路是由集成运放和外围元件组成的。
4.1.1 集成运放
集成运放的应用十分广泛，包括模拟信号的产生、放大、滤波以及进行各种线性和非线性的处理。集成运放的种类很多，而且每块集成电路根据引脚的数量不同而集成的运放的个数不同，有单片集成电路集成四个运放的，如LM324、TLC27M4、UPC324C、LF347N、LM2902N等，也有单片集成电路集成一个运放的，如UA741、UA709、LM301、LM308、TD07、LF356、OP07、OP37、MAX427等。
集成运放可以用来组成对模拟量进行各种数学运算功能的电路，例如比例、加减、积分和微分、对数和指数、乘除等运算电路。由于放大电路只限于放大音频输入信号，且放大倍数也不高，因此采用单片集成电路集成四个运放的LM324较为合适。
4.1.2 LM324简介
LM324为四运放集成电路，采用14脚双列直插塑料封装，其引脚图和实物图如图4-1和引脚功能如表4-1所示。
a) 引脚图 b) 实物图
图4-1 LM324的引脚图和实物图
表4-1 LM324引脚功能表
LM324内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。电路功耗很小，LM324工作电压范围宽，可用正电源3～30V，或正负双电源±1.5V～±15V工作。它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为O～Vcc。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互单独。每一组运算放大器可用如图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM124、LM224和LM324引脚功能及内部电路完全一致。LM124是军品，LM224为工业品，而LM324为民品。由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等特点，因此它被非常广泛的应用在各种电路中。
4.1.3 输入放大电路
1.电路原理图
前置放大电路可以用晶体管也可采用集成运放来完成。本文中采用集成运放并采用双电源供电，电路原理图如图4-2所示。
2.参数计算与元件选择
放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻R12、R11决定：Av=- R11/R12。负号表示输出信号与输入信号相位相反。按图4-2中所给数值，Av=-2。此电路输入电阻为R12。一般情况下先取R12与信号源内阻相等，然后根据要求的放大倍数再选定R11 。C16和C12为级间耦合电容。集成运放交流放大器只放大交流信号，输出信号受运放本身的失调影
响较小，因此不需要调零。没有必要加接调零电路。
图4-2 同相输入放大电路
元件的选择：R12取10KΩ，由Av=-R11/R12可知R11取100KΩ，R13为平衡电阻，根据平衡电阻的概念，R13=R12//R11=1KΩ的电阻，C16一般取几微法，本文中取4.7μF/25V的电解电容。
综上所述,四个前置放大器都用运放来完成，因此可用一个单片集成电路集成四个运放的集成运放，这类型的常用四运放也很多，如UPC324C、TLC27M4、LF347N、LM324等，本文中就选取LM324作为前置放大器。
4.2 音量控制模块
音量控制模块作用是控制输入到功率放大器的信号幅度，常用的音量控制电路有分压式音量控制电路和电子音量控制电路两种。如图4-3所示。图中只画出了一个声道的分压式音量控制电路。
图4-3 音量控制电路
图4-3，W5是音量电位器，滑动端将W5分为前后（R1、R2）两部分，输入电压取前部分R2的电压。调节W5滑动端的位置即可改变输入电压的大小。W5滑动端滑到最下端时，R1=W5，Uo=0，音量为零。W5滑动端滑到最上端时，Ui=Uo，输入电压全部输入到功率放大器中，音量最大。
4.3 音调控制模块
负反馈式高低音调节的音调控制电路比较简单，图中只画出了一个声道的电路,如图4-4所示。不同电容量在低音、中音、高音时的容抗值如表4-2所示。
所谓音调控制就是人为地改变信号里高、低频成分的比重，以满足听者的爱好、渲染某种气氛、达到某种效果或补偿扬声器系统及放音场所的音频不足。音调控制电路用以改变放大器的频率特性，补偿整个放音系统频率特性的偏差，也用来满足听从对音色的不同需要。音调处理电路的基础是各种形式的滤波器。正是这些滤波器构成了音频电路中的音调控制器。音频器件中无论是简单的单调处理电路还是复杂的均衡器，均由各种有源或无源滤波器组成。利用这些滤波电路，可以组成各种高通、低通滤波器和带通滤波器，以抑制电路中不需要的频率并通过所选择的频率。
音调控制电路用来对音频信号各频段内的信号进行提升或衰减，调节输入信号的低频、中频、高频成分的比例，改变前置放大器的频率特性，以补偿音频系统各环节的频
率失真，或满足听者对音色的爱好和需求。
图4-4 负反馈高低音调节的音调控制电路
表4-2 不同电容量在低音、中音、高音时的容抗值
音调控制是指调节反馈网络的频率特性，使它对音频信号的高、低频率成分产生不同程度的反馈或衰减网络的频率特性，从而达到改变电路频率响应特性之目的。常用的音调控制电路只有高音和低音频段两个控制电路，可以对高、低频成分进行提升或衰减的控制。
1.低音控制电路的工作原理
图中C21、C30的容量大于C24，对于低音信号C21与C30可视为开路，而对于高音信号C24可视为短路。低音调节时，当W1滑臂到左端时，C21被短路，C30对低音信号容抗很大，可视为开路；低音信号经过R23直接送入运放，输入量最大；而低音输出则经过R19、W1负反馈送入运放，负反馈量最小，因而低音提升最大；当W1滑臂到右端
时，则刚好与上述情形相反，因而低音衰减最大。不论W1的滑臂怎样滑动，因为C21、C30对高音信号可视为是短路的，所以此时对高音信号无任何影响。
2.高音控制电路的工作原理
高音调节时，当W2滑臂到左端时，因C24对高音信号可视为短路，高音信号经过W2、C24直接送入运放，输入量最大；而高音输出则经过W2、C24负反馈送入运放，负反馈量最小，因而高音提升最大；当W2滑臂到右端时，则刚好相反，因而高音衰减最大。不论W2的滑臂怎样滑动，因为C24对中低音信号可视为是开路的，所以此时对中低音信号无任何影响。
4.4 功率放大器模块
4.4.1重低音放大电路
重低音放大电路主要由LM1875功率集成块及NE5532运放等元器件组成，电路原理如图4.5所示
1、LM1875音频功率放大器
LM1875是单片功率放大器，LM1875采用TO-220封装结构，形如一只中功率管，体积小巧，外围电路简单，且输出功率较大，为消费者在音频应用场合提供非常低失真度和高品质的性能。LM1875采用±25V电源供电，能够输出20W功率，驱动4或8欧姆负载，采用±30V电源供电时，能够输出30W功率，驱动8欧姆负载。放大器具有最少的外围元件，保护电路包括内部电流限制和热关断，该集成电路内部设有过载过热及感性负载反向电势安全工作保护。LM1875采用先进的电路设计技术，可达到极小的失真度，即使在大输出功率电平时也是如此。LM1875还具有高增益、快速转速率、宽功率带宽、大输出电压摆幅、大电流能力和非常宽的电源范围等特性，放大器采用内部补偿，使之在增益10或更高时均能稳定。LM1875可用于高品质音频系统、电桥放大器、立体声唱机、伺服系统放大器、仪器放大器等。
LM1875主要参数： 典型工作电压：±25V 静态电流：50mA 输出功率：25W
谐波失真：＜0.02%，当f=1kHz，RL=8Ω，P0=20W时
转换速率：18V/μS
图4.5 LM1875音频功率放大器电路图
C5
10u
2、NE5532
引脚功能 1 通道1输出 2 通道1倒相输入
3 通道1非倒相输入 4 地
5 通道2非倒相输入 6 通道2倒相输入 7 通道2输出 8 电源电压
NE5532引脚功能定义图
4.4.2 有源低通滤波器(LPF)
1、低通滤波器的主要技术指标
通带增益Avp
通带增益是指滤波器在通频带内的电压放大倍数。性能良好的LPF通带内的幅频特性曲线是平坦的，阻带内的电压放大倍数基本为零。
通带截止频率fp
其定义与放大电路的上限截止频率相同。见图自明。通带与阻带之间称为过渡带，过渡带越窄，说明滤波器的选择性越好。
2、有源滤波器运算放大器的应用
有源滤波器是由RC元件及运算放大器组成，本课题选用了NE5532运算放大器及RC网络组成有源滤波器，NE5532运算放大器具有优良的性能，主要指标如下：
（1）等效输入噪声电压 5nV/根号Hz 典型值 @ 1kHz （2）单位增益带宽 10 MHz 典型值 （3）共模抑制比 100 dB 典型值 （4）高 dc 电压增益 100V/mV 典型值
（5）峰－峰电压波动 32 V 典型值，VCC±＝±18V 和RL＝600 欧姆 （6）高转换速度 9V/us 典型值 （7）电源电压范围宽 ±3V 至 ±20V 3、简单一阶低通有源滤波器
一阶低通滤波器的电路如图4.6所示，其幅频特性见图4.7，图中虚线为理想的情况，实线为实际的情况。特点是电路简单，阻带衰减太慢，选择性较差。
图4.6 一阶低通滤波器电路 图4.7一阶低通滤波器电路幅频特性 4、简单二阶低通有源滤波器
二阶低通滤波器的电路如图4.8所示，其幅频特性见图4.9
为了使输出电压在高频段以更快的速率下降，以改善滤波效果，再加一节RC低通滤波环节，称为二阶有源滤波电路。它比一阶低通滤波器的滤波效果更好。
图4.8 二阶LPF的电路图 图4.9 二阶LPF的幅频特性曲线
4.4.3左右声道放大电路
功率放大器是音频系统中一个不可缺少的重要部分，其主要任务是将音频信号放大到足以推动外接负载如扬声器、音箱等。不同于前置放大器的功率放大器不仅对音频电压信号进行放大，而且放大了音频电流信号，以满足外接负载的功率需求。音频功率放大器的类型很多，根据使用的器件不同，为纯电子管、晶体管、集成电路、场效应管功率放大器。一般认为电子管功率放大器（俗称胆机）的音色优于晶体管功率放大器音色。晶体管放大器的频响宽，低频可延伸至直流，是目前输出功率最大的功率放大器。场效应管功率放大器的音色是晶体管机中音色最好的一种。集成电路功率放大器则以其制作简单、性能稳定、功能齐全、价格低廉而使其成为数量最多的一种。TDA2030集成音频功率放大器就是其中的一种。本文中就选取TDA2030集成音频功率放大器做为左右声道放大电路。
4.4.4 TDA2030简介
1.引脚排列(如图4-10所示）
图4-10 TDA2030引脚图
图中，1脚是正相输入端，2脚是反向输入端，3脚是负电源输入端，4脚是功率输出端，5脚是正电源输入端。
TDA2030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。瞬态互调失真是决定放大器品质的重要因素，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TDA2030在内的几种该集成功放。
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。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的电气性能稳定、可靠、能适用长时间连续工作，集成块内部具有过载保护和热切断保护电路，不会损坏器件。在单电源使用时，散热片可直接固定在金属板上与地线相通，无需绝缘，使用十分方便。是目前音质较好、价格较低、外围元件较少、应用较方便的一款性价比较高的集成功放。
2.主要参数
表4-3 TDA2030主要参数
3.TDA2030应用电路
由设计的框图可知，本级的放大倍数为4V/100mv=40倍，相应的电压增益为44dB。为了提高电路的稳定性，电路的反馈采用电压串联负反馈。负回馈之所以能够改善放大电路的多方面性能，归根结底是由将电路的输出量引回到输入端与输入量进行比较，从而随时对输出量进行调整。反馈愈深，即︱1+AF︱的值愈大，这种作用愈强，对电路性能的改善愈为有益。但是︱1+AF︱的值愈大，增益下降愈多。由此可见，负反馈对放大电路性能的改善是以牺牲增益为代价的。
该电路闭环增益可由下式估算：
Au=1+R6/R7
由上式可知：
Au=1+R6/R7=40
根据设计任务本次TDA2030采用正负双电源供电，画出相应的电路图，如图4-11所示。
图4-11 功放电路基本原理
R7一般取几百欧到几千欧，本次R7取标称值为1KΩ，则R6为39KΩ，取标称值为39KΩ的电阻。
C5的作用使电路的直流工作状态采用100%的负反馈，即直流增益为1，所以工作点非常稳定。C5一般取几十微法，本文中取为22μF、耐压为50v 的铝电解电容。
R9和C7组成阻容吸收网络，用以避免电感性负载产生过电压击穿芯片内功率管，同时具有改善扬声响应，消除自激振荡的功效。
R9一般取几欧到几十欧，本次取1.5Ω的碳膜电阻。
C7一般取零点零几微法到零点几微法本次取容量为0.1μF耐压63V的涤纶电容。 C6为耦合电容，取容量为2.2μF耐压50V的铝电解电容。
R8为芯片输入级偏置电阻，为输入端提供直流通路，一般取几十千欧，本次取阻值为39KΩ的碳膜电阻。为了使运放电路更稳定的工作，还需要在运放的正负电源端与地之间分别接几十到上百微法的电解电容和0.01-0.1μF的电容用来旁路非直流信号。但由于在后面要设计的电源电路中有了这样的旁路电容，所以在集成运放的电源输入端就不需要这类的电容了。
4.5电源模块
4.5.1 电源电路的系统结构
图4-12 电源电路组成框图
很多常见的电子设备中都需要直流电源供电，小功率不间断时可以用电池供电，而在很多很多场合电池就无法满足供电需求，此时就要用直流电源来供电。直流稳压电源一般由电源变压器、整流电路、滤波电路等构成，其结构框图如图4-12所示。
本文中设计的电源为±12V双电源输出，最大输出电流为1.5A。
滤波电路通常由电容、电感等电抗性元件组成。利用电容两端不能突变和流过电感的电流不能突变的特点，把电容和负载并联或电感和负载串联都可以实现滤波，使输出的电压纹波变得平滑。电容组成的滤波器电路简单、输出直流电压较高、纹波较小，作为小功率直流电源。电感带负载能力强，但成本高、易引起电磁干扰等，适用于低电压、大电流场合。因此本文中选用电容作为电源滤波器。
整流电路有半波整流、全波整流、桥式整流电路等几类。整流电路是根据二极管的意向导电性来实现的。本文中就选取桥式整流电路作为电源的整流电路。
电源指示电路是由一个LED灯和一个限流电阻构成的，其作用就是通过LED灯来判断电源电路的好坏。
4.5.2 电源电路
根据要求使输出的电压值为12V，电流值为最大1.5A，其参数为 Uo=11.5V～12.5V，Iomax=1.5A。电源电路如图4-13所示。
图4-13 电源电路
整流电路选取两两并联的二极管桥式整流电路，取IN4007，其参数为耐压为1000V，整流电路为1A，电路如图4-14所示。
图4-14 整流电路
变压器的选取：估算由于滤波后的电压为滤波前的1.2倍，因此变压器的输出范围应为14/1.2～35/1.2V=12～30V，不忽略整流二极管的管压降时，输入电压约为13～31V。由于电容滤波后的电压为滤波前的确1.2倍，加上整流管的压降，综合上述考滤，输入电压约为：
14/1.2+0.7～35/1.2+0.7=13～31V
故本文中选取的电源变压器为中间带有抽头的变压器。如图4-15所示。
图4-15 电源变压器
其参数为输入电压为220V/50Hz，两端的任何一端和中间抽头之间的电压为12V，两端的端电压为12V/1.5A，功率为12×1.5=18W的变压器。若效率为70%，则功率应这25.7W的铁芯变压器。
滤波电容的选取：滤波电容可由下式估算
C≥〔(3～5)T〕/(2RL)
式中，T为市电周期，T=0.02s。
电容耐压值的估算：UCN =（1.5～2）U2，U2为变压器的二次电压。 根据公式
UCN ≥(1.5～2)U2
本文中选取1000μF由于变压器的输出电压为25.7V，每个电容两端的电压约为12V，则C10的耐压应为（1.5～2）U2，UCN =22.5～30V，故本文中的C10、C11应选取容量为1000μF，耐压为35V的铝电解电容。
C8、C9一般用高频特性较好的磁介电容，一般取0.1μF。
第五章 布线及布线时的注意事项
5.1.信号线及焊盘
信号线不能设置的太细，应不低于2cm，一般取2cm 即可。若太细，在后面的工序中，在刻字机上不容易刻出很细的线条以及腐刻覆铜板时导线的机械强度不够，易造成导线断裂。信号线也不能设置得太粗，不要超过焊盘的直径，一般二
者的直径之差为1cm 即可。焊盘直径不要低于3cm，一般的焊盘取3cm 就可以，特殊的元件可根据其管脚宽度等实际情况选取。例如，保险丝座的引脚就很宽，所以至少得取直径为4cm 焊盘或方形焊盘，防止在钻孔时，由于钻头与绝缘基板摩擦产生的热量容易使焊盘脱离基板，不利于装配。同时，也有利于焊接装配时导电良好、保证机械强度。
5.2 地线的设计
电子产品的地线设计是非常重要的，无论高、低频电路都必须要符合设计规则。低频电路主要考虑大小信号地电位的叠加问题，要严格遵循“独立走线、集中一点接地”的原则，从而显著提高信噪比、降低噪音。音频电路地线可分为电源地和信号地，电源地主要是指滤波、退耦电容的地线；小信号地是指输入信号、反馈地线。小信号地与电源地不能混合，否则会产生较强的交流声。
5.3 布线方法
正确的布线方法是遵循“独立走线、集中一点接地”的原则，选择滤波电容引脚作为电源地集中接地点，将输入信号强、弱信号地线严格区分开，独立走线。另外，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，所以在排放TDA2030 时要注意其跟周围器件的距离，散热器不能与其他元器件相接触，这样既能保证散热效果，又能保证不影响其他元器件的正常工作。
总结
通过学习“常用集成器件应用”课程上的理论知识，融会贯通所学的“模拟电子技术”、“数字电子技术”和“电子技术实验”等课程的基本原理和分析方法，进一步将书本知识与工程实际需要结合起来。 此次课程设计的题目是设计一个2.1音响的音频功率放大器，由于时间有限，只有近一周时间，在查找、学习有关资料和在老师、学长学姐指导下，基本实现了这次课程设计的要求。
在这次设计中，自身确实遇了很多难以解决的问题，同时也学到了很多知识。掌握了功率放大器电路的设计与制作，掌握了NE5532、TDA2030、LM324等集成芯片的原理与作用，学会去检查电路中的错误与线路是否导通，进一步熟练万用表的使用，熟练利用Multisim和Proteus进行电路仿真。自身更接触到了与自己相关专业的具体的知识，感觉到所学的东西还是很有用的，在设计过程中不但巩固了学过的知识，而且也扩展了知识面，及时的发现了存在的许多不足。通过本次课程设计初步了解了一些专业软件的使用，如Multisim的软件的使用，也渐渐学会了查阅数据手册。
总之，在这次2.1音响--音频放大器设计过程中，自身学到了很多东西。相信自己在学习专业知识的道路上，会进一步努力拓展，多参与实战项目，争取将理论知识融合在实践中。
参考文献
[1] 童诗白.模拟电子技术基础.北京:高等教育出版社，2003 [2] 阎石.数字电子技术基础.北京:高等教育出版社，2005 [3] 徐以荣.电力电子技术基础.南京:东南大学出版社，2004
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[7] 谢自美.电子线路设计实验测试.第二版.武汉:华中科技大学出版社，2000 [8] 陈梓城.实用电子电路设计与调试.北京:中国电力出版社，2006 [9] 于安红.简明电子元器件手册.上海:交通大学出版社，2005 [10] 孙余凯.模拟集成电路基础与应用.北京:电子工业出版社，2006 [11] 赵培功.集成电路应用.成都:电子科技大学出版社，1997 [12] 周亦武.放大电路指南.福建:科学出版社，2004
[13] 蔡坚勇.青少年音频电路制作指南.福建:科学技术出版社，1997
附录 音频功率放大器电路原理图
常用集成器件应用
课程设计
项 目 名 称 2.1音响--音频功率放大器设计
学 院 信息与电子工程学院
专 业 物联网工程
班 级 121班
姓名 、学号 陈方杰 、 1120232021
指 导 教 师 钟海伟
二零一五一月
目录
摘 要 ........................................ 错误！未定义书签。
第一章 简介 .................................. 错误！未定义书签。
第二章 滤波器和音频功率放大器的分类 ........................... 3
2.1 滤波器的分类 ............................................. 3
2.1.1 高通滤波器 ........................................... 3
2.1.2 低通滤波器 ........................................... 3
2.1.3 带通滤波器 ........................................... 3
2.2 功率放大器的分类 ......................................... 3
2.2.1 按器材分类 ........................................... 4
2.2.2 按功能分类 ........................................... 4
2.2.3 按用途分类 ........................................... 5
第三章 音频功率放大器的设计 .................................. 6
3.1 设计要求 ................................................. 6
3.2 设计思路 ................................................. 6
3.3 方案选择 ................................................. 6
3.3.1 功放类型的选择 ....................................... 6
3.3.2 实现电路的选择 ....................................... 7
第四章 单元模块设计 .......................................... 9
4.1 前置放大模块 ............................................. 9
4.1.1 集成运放 ............................................. 9
4.1.2 LM324简介 ........................................... 9
4.1.3 输入放大电路 ........................................ 10
4.2 音量控制模块 ............................................ 11
4.3 音调控制模块 ............................................ 12
4.4 功率放大器模块 .......................................... 14
4.4.1 重低音放大电路 ...................................... 14
4.4.2 有源低通滤波器（LPF） ............................... 15
4.4.3 左右声道放大电路 .................................... 17
4.4.4 TDA2030简介 ......................................... 17
4.5 电源模块 ................................................ 20
4.5.1 电源电路的系统结构 .................................. 20
4.5.1 电源电路 ............................................ 20
第五章 布线及布线时的注意事项 ................ 错误！未定义书签。
5.1 信号线及焊盘 ............................................ 23
5.2 地线的设计 .............................................. 23
5.3 布线方法 ................................................ 23
总 结 ........................................................ 24
参考文献 ...................................................... 25
附录 音频功率放大器电路原理图 ................................ 26
2.1音频功率放大器设计
摘 要：设计了一个带音调控制的音频放大电路，该电路具有对音频信号放大的功能。该电路主要由前置放大电路、音调控制电路及功率放大电路三部分构成，其中，前置放大电路采用LM324的四运放集成电路来实现电压的放大；音调控制电路主要由负反馈高低音调节；重低音放大电路主要由LM1875功率集成块及NE5532运放等元器件组成；左右声道放大电路主要由TDA2030功率集成电路组成，并应用了无源RC滤波器作为通道的传输。
关键词：前置放大电路；功率放大器；音调控制；TDA2030
第一章 简介 2.1音响是由一个低音音箱（一般称之低音炮）和一对低音较弱的全频音箱（一般称之卫星箱）组成，少数2.1音箱的卫星箱会做成两分频的。
“2.1”中的“2”是指标准双声道（立体声）； “2.1”中的“.1”是指单独分频输出一般约100Hz以下的“低音”声道。 2.1音箱的分频设计：如果是将卫星箱扬声器单元设计成一个全频带扬声器，那么由于只有一个扬声器，理论上回放频率范围为20Hz～20kHz，但实际应用中是很难做到的。有的卫星箱箱体体积和扬声器口径较小，这样可能会导致中音不够丰满，不过采用这种设计的卫星音箱外观多半做得小巧，且成本低廉。
还有一种分频设计是在卫星音箱的扬声器上使用了高音扬声单元和一个中低音扬声单元的搭配，这样能使低、中、高三部分都有较好的表现，但这类音箱的卫星箱普遍体积较大。
2.1音箱的声道设计。2.1音箱拥有两个独立的功放模块，一个为立体声负责卫星音箱的模块，一个为重低音专门负责低音音箱的模块，立体声模块为独立的左（L）、右（R）声道功放块，重低音为左右声道联合过滤后的稍大功率功放块。因为重低声为联合过滤，所以在输入的左右声道中有一条线断开，另一个对应的音箱也会发出轻微的声音，这可以用于测试音箱品质上，可以只接一条左或右的音频输入线，听另一个卫星音箱的音量相对是大是小，越小越好，重低音在输入一条和两条间的变化，越小越好。
第二章 滤波器和音频功率放大器的分类
2.1滤波器的分类
2.1.1高通滤波器
高通滤波器是指功放中能够让中、高频信号通过而不让低频信号通过的电路，其作用是滤去音频信号中的低音成分，增强中音和高音成分以驱动扬声器的中音和高音单元。此外高通滤波器常常和低通滤波器成对出现，不论哪一种，都是为了把一定的声音频率送到应该去的单元。
2.1.2低通滤波器
低通滤波器是指功放中能够让低频信号通过而不让中、高频信号通过的电路，其作用是滤去音频信号中的中音和高音成分，增强低音成分以驱动扬声器的低音单元。由于功放大部分都是全频段功放，通常采用AB类放大设计，功率损耗比较大，所以滤除低频段的信号，只推动中高频扬声器是节省功率、保证音质的最佳选择。此外高通滤波器常常和低通滤波器成对出现，不论哪一种，都是为了把一定的声音频率送到应该去的单元。
2.1.3带通滤波器
所谓带通就是让它们在规定频率范围内通过高通滤波器+低通滤波器=带通滤波器。比如:600Hz-5KHz的带通滤波器先做一个600Hz的高通滤波器,再做一个5KHz的低通滤波器,让通过的频率在高通滤波器中滤掉600Hz以下的频率,然后经过低通滤波器滤波器滤掉5KHz以上的频率,剩下的就是600Hz-5KHz的频率的了! "高阻滤波器+低阻滤波器=带通滤波器"的原理同理。
2.2功率放大器的分类
功率放大器简称功放，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。由于考虑功率、阻抗、失真、动态以及不同的使用范围和控制调节功能，不同的功放在内部的信号处理、线路设计和生产工艺上也各不相同。
以其主要用途来说，功放可以分做两大类别，即专业功放与家用功放。在体育馆场、影剧场、歌舞厅、会议厅或其它公共场所扩声，以及录音监听等场所使用的功放，一般说在其技术参数上往往会有一些独特的要求，这类功放通常称为专业功放。而用于家庭的Hi－Fi音乐欣赏，AV系统放音，以及卡拉OK娱乐的功放，通常我们称为家用功放。
本期只介绍跟我们家庭息息相关的家用功放。
2.2.1按器材分类
按电路所用的器材分类，功放可以分为电子管放大器、晶体放大器和集成电路放大器。
电子管放大器(俗称“胆机”)采用电子管作为放大器，其主要优点是动态范围大、线性好、音色甜美悦耳。但电子管功放也存在两个问题，一是内阻大导致放大器阻尼系数小，影响瞬态特性，二是电子管需高压供电，离不开变压器，变压器不仅功耗大、体积大，还会导致失真。
克服电子管功放的两个缺点，晶体管放大器阻尼系数可做得很高，有良好的瞬态特性，在声音的节奏感、力度上要比胆机明快、爽朗、有力；而且无需变压器，不仅节省成本，缩小体积，而且避免了由变压器所引起的失真。
最后一种是集成电路放大器，它最突出的优点是可靠性高、外围电路简单、组装方便，不足之处是电声指标(功率、频响、失真度、信噪比等)和音质皆不如前两类放大器。
2.2.2按功能分类
按照功能分类，功放可以分为前级功放、后级功放和合并式功放。
1、前级功放
主要作用是对信号源传输过来的节目信号进行必要的处理和电压放大后，再输出到后级功放。它就像铁路岔道一样，控制切换哪一路音源信号接入功放，哪一路音源信号与功放断开。
2、后级功放
后级功放是进行单纯功率放大的部分，它的作用就是尽可能原原本本地放大来自于前级的信号，我们对后级的要求是，放大倍数尽可能高，而放大后信号的失真程度应尽可能低。除放大电路外，还设计有各种保护电路，如短路保护、过压保护、过热保护、过流保护等。这两类功放一般只在高档机采用。
3、合并式放大器
合并式放大器，将前级放大器和后级放大器合并为一台功放，兼有前二者的功能，通常所说的放大器都是合并式的，应用的范围较广。一般来看，合并式功放的功率较前、后级功放小，重放的效果也比前、后级功放差，但合并式功放价钱较便宜，且使用方便，完全能够满足一般的家庭需要。
2.2.3按用途分类
就功放的用途来区分，家用功放分为Hi－Fi功放和AV功放。
1、Hi－Fi功放
Hi－Fi是英语High－Fidelity 的缩写，意指高度保真，即纯音乐功放，是音乐发烧友的最爱。Hi－Fi功放的输出功率大都在2×150瓦以下。Hi－Fi在设计上强调最低的信号失真，忠实地表现出音乐的场面、细节和演奏、录制的技巧等来满足人们对音乐的最佳欣赏要求。一般用于Hi－Fi的功放都是胆机。Hi－Fi功放就扩声形式而言，只适用于两声道立体声的重播。
2、AV功放
AV功放是Audio&Video的缩写，即影音功放，它能同时连接5－6个音箱(左右主音箱、中置音箱、左右环绕音箱、超重低音)并驱动它们发出声音。AV功放从诞生到现在，经历了杜比环绕，杜比定向逻辑，AC－3，DTS(均是音频解码方式)的发展进程。AV功放与普通功放的区别，在于AV功放有AV选择杜比定向逻辑解码器，AC－3，DTS解码器和五声道功率放大器，以及画龙点睛的数字声场DSP电路。鉴于欣赏碟片中多声道录音效果的需要，AV功放的每声道功率输出也会不同，一般来说主声道功率最大，中置次之，环绕最小，这方面的代表是带有杜比定向逻辑环绕声放的功放。为了增加使用乐趣，大多数AV功放都附有DSP，为各种节目播放提供不同的声场效果。
本次制作功放部分采用高保真集成块电路采用TDA2030与LM1875，该集成电路外围电路极其简洁，而且还有过热、静噪、短路等保护电路。
第三章 音频功率放大器的设计
3.1设计要求
本课程要求设计与制作一款适合电脑多媒体2.1音箱的有源功率放大器，系统包括重低音功率放大器、左右声道功率放大器、音量调节、电源等组成。
性能主要指标：
额定输出功率：低音≥10W；中高音≥2*5W
频率响应：低音1KHZ
3.2设计思路
本系统为2.1声道功率放大输出，左右声道信号源Lin和Rin经高通滤波器，送至各左右声道功率放大器，最后馈至左右声道扬声器；重低音通道由Lin和Rin混合至带通滤波器，再经功率放大器送至重低音扬声器。方案见图3.1所示。Lin左声道输入高通滤波器左声道功率放大器扬声器
带通滤波器重低音功率放大器扬声器
Rin右声道输入右声道功率放大器扬声器
图3.1 系统方案图
3.3 方案选择
3.3.1 功放类型的选择
方案一：采用A类、B类、AB类功率放大器。这几种放大电路的共同特点是晶体管都工作在线性放大区中，它按输入音频信号的大小控制着输出信号，但自身也在消耗电能。A类功率放大器的特点是线性好、失真小且失真成分以偶次谐波为主，通常需要偏置电压才能工作，能量转换效率很低，输出功率一般较小并且理论效率只有50%，所以
不行。B类功率放大器虽然不需要偏置电压，靠信号本身来导通放大管，理论效率可达78.5%，但电路在小信号时失真严重。通常，在电路中略加一点偏置形成AB类功率放大器，虽然效率略有下降，但保真度高、小信号时失真减弱。
方案二：采用D类功率放大器。D类功率放大器基本构成框图如2-1所示，它是用音频信号的幅度调制高频脉冲的宽度，功率输出管工作在高频开关状态，通过LC低通滤波器后输出音频信号。由于输出管工作在开关状态，故具有极高的效率（理论上为100%，实际电路可以达到80%～95%），但D类功放也有不足之处，就是保真度低、输出音质较差，所以一般应用于手持式设备（如手机、PDA等）。
图3.2 D类音频功率放大器基本构成图
以上两个方案中，D类音频功放虽然具有效率高、体积小、输出功率大、低EMI、具备多种工作模式等特点，但保真度不及传统功放。传统的模拟音频功放保真度高，但效率低、能耗大，且要求有良好的散热设备。本设计选用第一种方案，以性价比较高、音质较好、价格较低、外围元件较少、应用较方便的集成功放TDA2030为核心设计相关硬件。
3.2.2 实现电路的选择
首先确定整机电路的级数，再根据各级的功能及技术指标要求分配电压增益，然后分别计算各级电路参数，通常从功放级开始向前逐级计算。基于模拟功放TDA2030的音频放大器如图2-2所示，主要由电源模块、前置放大模块、音量控制模块及功率放大模块和扬声器组成。
图2-2 基本组成框图
各部分的基本功能如下： 1.前置放大模块
前置放大模块是把音频信号放大至功率放大器所能接受的输入范围。它具有两个功能：一是要选择所需要的音源信号，并放大到额定电平；二是要进行各种音质控制，以美化声音。其基本组成由音源选择、输入放大和音质控制等电路。
2.音量控制模块
音量控制模块是将前置放大后的信号通过电位器来控制TDA2030A芯片的输入信号的大小，用来控制整个音量的大小。
3.音调控制模块
音调控制电路用来对音频信号各频段内的信号进行提升或衰减，调节输入信号的低
频、中频、高频成分的比例，改变前置放大器的频率特性，以补偿音频系统各环节的频率失真。
4.功率放大模块
给音频放大器的负载RL(扬声器)提供一定的输出功率。当负载一定时，希望输出功率尽可能大，输出信号的非线性失真尽可能小，效率尽可能大。
第四章 单元模块设计
4.1 前置放大模块设计
前置放大模块基本组成是有输入放大和音质控制等电路。其作用一是要选择所需要的音源信号，并放大到额定电平；二是要进行各种音质控制，以美化声音。这里的前置电路是由集成运放和外围元件组成的。
4.1.1 集成运放
集成运放的应用十分广泛，包括模拟信号的产生、放大、滤波以及进行各种线性和非线性的处理。集成运放的种类很多，而且每块集成电路根据引脚的数量不同而集成的运放的个数不同，有单片集成电路集成四个运放的，如LM324、TLC27M4、UPC324C、LF347N、LM2902N等，也有单片集成电路集成一个运放的，如UA741、UA709、LM301、LM308、TD07、LF356、OP07、OP37、MAX427等。
集成运放可以用来组成对模拟量进行各种数学运算功能的电路，例如比例、加减、积分和微分、对数和指数、乘除等运算电路。由于放大电路只限于放大音频输入信号，且放大倍数也不高，因此采用单片集成电路集成四个运放的LM324较为合适。
4.1.2 LM324简介
LM324为四运放集成电路，采用14脚双列直插塑料封装，其引脚图和实物图如图4-1和引脚功能如表4-1所示。
a) 引脚图 b) 实物图
图4-1 LM324的引脚图和实物图
表4-1 LM324引脚功能表
LM324内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。电路功耗很小，LM324工作电压范围宽，可用正电源3～30V，或正负双电源±1.5V～±15V工作。它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为O～Vcc。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互单独。每一组运算放大器可用如图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM124、LM224和LM324引脚功能及内部电路完全一致。LM124是军品，LM224为工业品，而LM324为民品。由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等特点，因此它被非常广泛的应用在各种电路中。
4.1.3 输入放大电路
1.电路原理图
前置放大电路可以用晶体管也可采用集成运放来完成。本文中采用集成运放并采用双电源供电，电路原理图如图4-2所示。
2.参数计算与元件选择
放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻R12、R11决定：Av=- R11/R12。负号表示输出信号与输入信号相位相反。按图4-2中所给数值，Av=-2。此电路输入电阻为R12。一般情况下先取R12与信号源内阻相等，然后根据要求的放大倍数再选定R11 。C16和C12为级间耦合电容。集成运放交流放大器只放大交流信号，输出信号受运放本身的失调影
响较小，因此不需要调零。没有必要加接调零电路。
图4-2 同相输入放大电路
元件的选择：R12取10KΩ，由Av=-R11/R12可知R11取100KΩ，R13为平衡电阻，根据平衡电阻的概念，R13=R12//R11=1KΩ的电阻，C16一般取几微法，本文中取4.7μF/25V的电解电容。
综上所述,四个前置放大器都用运放来完成，因此可用一个单片集成电路集成四个运放的集成运放，这类型的常用四运放也很多，如UPC324C、TLC27M4、LF347N、LM324等，本文中就选取LM324作为前置放大器。
4.2 音量控制模块
音量控制模块作用是控制输入到功率放大器的信号幅度，常用的音量控制电路有分压式音量控制电路和电子音量控制电路两种。如图4-3所示。图中只画出了一个声道的分压式音量控制电路。
图4-3 音量控制电路
图4-3，W5是音量电位器，滑动端将W5分为前后（R1、R2）两部分，输入电压取前部分R2的电压。调节W5滑动端的位置即可改变输入电压的大小。W5滑动端滑到最下端时，R1=W5，Uo=0，音量为零。W5滑动端滑到最上端时，Ui=Uo，输入电压全部输入到功率放大器中，音量最大。
4.3 音调控制模块
负反馈式高低音调节的音调控制电路比较简单，图中只画出了一个声道的电路,如图4-4所示。不同电容量在低音、中音、高音时的容抗值如表4-2所示。
所谓音调控制就是人为地改变信号里高、低频成分的比重，以满足听者的爱好、渲染某种气氛、达到某种效果或补偿扬声器系统及放音场所的音频不足。音调控制电路用以改变放大器的频率特性，补偿整个放音系统频率特性的偏差，也用来满足听从对音色的不同需要。音调处理电路的基础是各种形式的滤波器。正是这些滤波器构成了音频电路中的音调控制器。音频器件中无论是简单的单调处理电路还是复杂的均衡器，均由各种有源或无源滤波器组成。利用这些滤波电路，可以组成各种高通、低通滤波器和带通滤波器，以抑制电路中不需要的频率并通过所选择的频率。
音调控制电路用来对音频信号各频段内的信号进行提升或衰减，调节输入信号的低频、中频、高频成分的比例，改变前置放大器的频率特性，以补偿音频系统各环节的频
率失真，或满足听者对音色的爱好和需求。
图4-4 负反馈高低音调节的音调控制电路
表4-2 不同电容量在低音、中音、高音时的容抗值
音调控制是指调节反馈网络的频率特性，使它对音频信号的高、低频率成分产生不同程度的反馈或衰减网络的频率特性，从而达到改变电路频率响应特性之目的。常用的音调控制电路只有高音和低音频段两个控制电路，可以对高、低频成分进行提升或衰减的控制。
1.低音控制电路的工作原理
图中C21、C30的容量大于C24，对于低音信号C21与C30可视为开路，而对于高音信号C24可视为短路。低音调节时，当W1滑臂到左端时，C21被短路，C30对低音信号容抗很大，可视为开路；低音信号经过R23直接送入运放，输入量最大；而低音输出则经过R19、W1负反馈送入运放，负反馈量最小，因而低音提升最大；当W1滑臂到右端
时，则刚好与上述情形相反，因而低音衰减最大。不论W1的滑臂怎样滑动，因为C21、C30对高音信号可视为是短路的，所以此时对高音信号无任何影响。
2.高音控制电路的工作原理
高音调节时，当W2滑臂到左端时，因C24对高音信号可视为短路，高音信号经过W2、C24直接送入运放，输入量最大；而高音输出则经过W2、C24负反馈送入运放，负反馈量最小，因而高音提升最大；当W2滑臂到右端时，则刚好相反，因而高音衰减最大。不论W2的滑臂怎样滑动，因为C24对中低音信号可视为是开路的，所以此时对中低音信号无任何影响。
4.4 功率放大器模块
4.4.1重低音放大电路
重低音放大电路主要由LM1875功率集成块及NE5532运放等元器件组成，电路原理如图4.5所示
1、LM1875音频功率放大器
LM1875是单片功率放大器，LM1875采用TO-220封装结构，形如一只中功率管，体积小巧，外围电路简单，且输出功率较大，为消费者在音频应用场合提供非常低失真度和高品质的性能。LM1875采用±25V电源供电，能够输出20W功率，驱动4或8欧姆负载，采用±30V电源供电时，能够输出30W功率，驱动8欧姆负载。放大器具有最少的外围元件，保护电路包括内部电流限制和热关断，该集成电路内部设有过载过热及感性负载反向电势安全工作保护。LM1875采用先进的电路设计技术，可达到极小的失真度，即使在大输出功率电平时也是如此。LM1875还具有高增益、快速转速率、宽功率带宽、大输出电压摆幅、大电流能力和非常宽的电源范围等特性，放大器采用内部补偿，使之在增益10或更高时均能稳定。LM1875可用于高品质音频系统、电桥放大器、立体声唱机、伺服系统放大器、仪器放大器等。
LM1875主要参数： 典型工作电压：±25V 静态电流：50mA 输出功率：25W
谐波失真：＜0.02%，当f=1kHz，RL=8Ω，P0=20W时
转换速率：18V/μS
图4.5 LM1875音频功率放大器电路图
C5
10u
2、NE5532
引脚功能 1 通道1输出 2 通道1倒相输入
3 通道1非倒相输入 4 地
5 通道2非倒相输入 6 通道2倒相输入 7 通道2输出 8 电源电压
NE5532引脚功能定义图
4.4.2 有源低通滤波器(LPF)
1、低通滤波器的主要技术指标
通带增益Avp
通带增益是指滤波器在通频带内的电压放大倍数。性能良好的LPF通带内的幅频特性曲线是平坦的，阻带内的电压放大倍数基本为零。
通带截止频率fp
其定义与放大电路的上限截止频率相同。见图自明。通带与阻带之间称为过渡带，过渡带越窄，说明滤波器的选择性越好。
2、有源滤波器运算放大器的应用
有源滤波器是由RC元件及运算放大器组成，本课题选用了NE5532运算放大器及RC网络组成有源滤波器，NE5532运算放大器具有优良的性能，主要指标如下：
（1）等效输入噪声电压 5nV/根号Hz 典型值 @ 1kHz （2）单位增益带宽 10 MHz 典型值 （3）共模抑制比 100 dB 典型值 （4）高 dc 电压增益 100V/mV 典型值
（5）峰－峰电压波动 32 V 典型值，VCC±＝±18V 和RL＝600 欧姆 （6）高转换速度 9V/us 典型值 （7）电源电压范围宽 ±3V 至 ±20V 3、简单一阶低通有源滤波器
一阶低通滤波器的电路如图4.6所示，其幅频特性见图4.7，图中虚线为理想的情况，实线为实际的情况。特点是电路简单，阻带衰减太慢，选择性较差。
图4.6 一阶低通滤波器电路 图4.7一阶低通滤波器电路幅频特性 4、简单二阶低通有源滤波器
二阶低通滤波器的电路如图4.8所示，其幅频特性见图4.9
为了使输出电压在高频段以更快的速率下降，以改善滤波效果，再加一节RC低通滤波环节，称为二阶有源滤波电路。它比一阶低通滤波器的滤波效果更好。
图4.8 二阶LPF的电路图 图4.9 二阶LPF的幅频特性曲线
4.4.3左右声道放大电路
功率放大器是音频系统中一个不可缺少的重要部分，其主要任务是将音频信号放大到足以推动外接负载如扬声器、音箱等。不同于前置放大器的功率放大器不仅对音频电压信号进行放大，而且放大了音频电流信号，以满足外接负载的功率需求。音频功率放大器的类型很多，根据使用的器件不同，为纯电子管、晶体管、集成电路、场效应管功率放大器。一般认为电子管功率放大器（俗称胆机）的音色优于晶体管功率放大器音色。晶体管放大器的频响宽，低频可延伸至直流，是目前输出功率最大的功率放大器。场效应管功率放大器的音色是晶体管机中音色最好的一种。集成电路功率放大器则以其制作简单、性能稳定、功能齐全、价格低廉而使其成为数量最多的一种。TDA2030集成音频功率放大器就是其中的一种。本文中就选取TDA2030集成音频功率放大器做为左右声道放大电路。
4.4.4 TDA2030简介
1.引脚排列(如图4-10所示）
图4-10 TDA2030引脚图
图中，1脚是正相输入端，2脚是反向输入端，3脚是负电源输入端，4脚是功率输出端，5脚是正电源输入端。
TDA2030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。瞬态互调失真是决定放大器品质的重要因素，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TDA2030在内的几种该集成功放。
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。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的电气性能稳定、可靠、能适用长时间连续工作，集成块内部具有过载保护和热切断保护电路，不会损坏器件。在单电源使用时，散热片可直接固定在金属板上与地线相通，无需绝缘，使用十分方便。是目前音质较好、价格较低、外围元件较少、应用较方便的一款性价比较高的集成功放。
2.主要参数
表4-3 TDA2030主要参数
3.TDA2030应用电路
由设计的框图可知，本级的放大倍数为4V/100mv=40倍，相应的电压增益为44dB。为了提高电路的稳定性，电路的反馈采用电压串联负反馈。负回馈之所以能够改善放大电路的多方面性能，归根结底是由将电路的输出量引回到输入端与输入量进行比较，从而随时对输出量进行调整。反馈愈深，即︱1+AF︱的值愈大，这种作用愈强，对电路性能的改善愈为有益。但是︱1+AF︱的值愈大，增益下降愈多。由此可见，负反馈对放大电路性能的改善是以牺牲增益为代价的。
该电路闭环增益可由下式估算：
Au=1+R6/R7
由上式可知：
Au=1+R6/R7=40
根据设计任务本次TDA2030采用正负双电源供电，画出相应的电路图，如图4-11所示。
图4-11 功放电路基本原理
R7一般取几百欧到几千欧，本次R7取标称值为1KΩ，则R6为39KΩ，取标称值为39KΩ的电阻。
C5的作用使电路的直流工作状态采用100%的负反馈，即直流增益为1，所以工作点非常稳定。C5一般取几十微法，本文中取为22μF、耐压为50v 的铝电解电容。
R9和C7组成阻容吸收网络，用以避免电感性负载产生过电压击穿芯片内功率管，同时具有改善扬声响应，消除自激振荡的功效。
R9一般取几欧到几十欧，本次取1.5Ω的碳膜电阻。
C7一般取零点零几微法到零点几微法本次取容量为0.1μF耐压63V的涤纶电容。 C6为耦合电容，取容量为2.2μF耐压50V的铝电解电容。
R8为芯片输入级偏置电阻，为输入端提供直流通路，一般取几十千欧，本次取阻值为39KΩ的碳膜电阻。为了使运放电路更稳定的工作，还需要在运放的正负电源端与地之间分别接几十到上百微法的电解电容和0.01-0.1μF的电容用来旁路非直流信号。但由于在后面要设计的电源电路中有了这样的旁路电容，所以在集成运放的电源输入端就不需要这类的电容了。
4.5电源模块
4.5.1 电源电路的系统结构
图4-12 电源电路组成框图
很多常见的电子设备中都需要直流电源供电，小功率不间断时可以用电池供电，而在很多很多场合电池就无法满足供电需求，此时就要用直流电源来供电。直流稳压电源一般由电源变压器、整流电路、滤波电路等构成，其结构框图如图4-12所示。
本文中设计的电源为±12V双电源输出，最大输出电流为1.5A。
滤波电路通常由电容、电感等电抗性元件组成。利用电容两端不能突变和流过电感的电流不能突变的特点，把电容和负载并联或电感和负载串联都可以实现滤波，使输出的电压纹波变得平滑。电容组成的滤波器电路简单、输出直流电压较高、纹波较小，作为小功率直流电源。电感带负载能力强，但成本高、易引起电磁干扰等，适用于低电压、大电流场合。因此本文中选用电容作为电源滤波器。
整流电路有半波整流、全波整流、桥式整流电路等几类。整流电路是根据二极管的意向导电性来实现的。本文中就选取桥式整流电路作为电源的整流电路。
电源指示电路是由一个LED灯和一个限流电阻构成的，其作用就是通过LED灯来判断电源电路的好坏。
4.5.2 电源电路
根据要求使输出的电压值为12V，电流值为最大1.5A，其参数为 Uo=11.5V～12.5V，Iomax=1.5A。电源电路如图4-13所示。
图4-13 电源电路
整流电路选取两两并联的二极管桥式整流电路，取IN4007，其参数为耐压为1000V，整流电路为1A，电路如图4-14所示。
图4-14 整流电路
变压器的选取：估算由于滤波后的电压为滤波前的1.2倍，因此变压器的输出范围应为14/1.2～35/1.2V=12～30V，不忽略整流二极管的管压降时，输入电压约为13～31V。由于电容滤波后的电压为滤波前的确1.2倍，加上整流管的压降，综合上述考滤，输入电压约为：
14/1.2+0.7～35/1.2+0.7=13～31V
故本文中选取的电源变压器为中间带有抽头的变压器。如图4-15所示。
图4-15 电源变压器
其参数为输入电压为220V/50Hz，两端的任何一端和中间抽头之间的电压为12V，两端的端电压为12V/1.5A，功率为12×1.5=18W的变压器。若效率为70%，则功率应这25.7W的铁芯变压器。
滤波电容的选取：滤波电容可由下式估算
C≥〔(3～5)T〕/(2RL)
式中，T为市电周期，T=0.02s。
电容耐压值的估算：UCN =（1.5～2）U2，U2为变压器的二次电压。 根据公式
UCN ≥(1.5～2)U2
本文中选取1000μF由于变压器的输出电压为25.7V，每个电容两端的电压约为12V，则C10的耐压应为（1.5～2）U2，UCN =22.5～30V，故本文中的C10、C11应选取容量为1000μF，耐压为35V的铝电解电容。
C8、C9一般用高频特性较好的磁介电容，一般取0.1μF。
第五章 布线及布线时的注意事项
5.1.信号线及焊盘
信号线不能设置的太细，应不低于2cm，一般取2cm 即可。若太细，在后面的工序中，在刻字机上不容易刻出很细的线条以及腐刻覆铜板时导线的机械强度不够，易造成导线断裂。信号线也不能设置得太粗，不要超过焊盘的直径，一般二
者的直径之差为1cm 即可。焊盘直径不要低于3cm，一般的焊盘取3cm 就可以，特殊的元件可根据其管脚宽度等实际情况选取。例如，保险丝座的引脚就很宽，所以至少得取直径为4cm 焊盘或方形焊盘，防止在钻孔时，由于钻头与绝缘基板摩擦产生的热量容易使焊盘脱离基板，不利于装配。同时，也有利于焊接装配时导电良好、保证机械强度。
5.2 地线的设计
电子产品的地线设计是非常重要的，无论高、低频电路都必须要符合设计规则。低频电路主要考虑大小信号地电位的叠加问题，要严格遵循“独立走线、集中一点接地”的原则，从而显著提高信噪比、降低噪音。音频电路地线可分为电源地和信号地，电源地主要是指滤波、退耦电容的地线；小信号地是指输入信号、反馈地线。小信号地与电源地不能混合，否则会产生较强的交流声。
5.3 布线方法
正确的布线方法是遵循“独立走线、集中一点接地”的原则，选择滤波电容引脚作为电源地集中接地点，将输入信号强、弱信号地线严格区分开，独立走线。另外，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，所以在排放TDA2030 时要注意其跟周围器件的距离，散热器不能与其他元器件相接触，这样既能保证散热效果，又能保证不影响其他元器件的正常工作。
总结
通过学习“常用集成器件应用”课程上的理论知识，融会贯通所学的“模拟电子技术”、“数字电子技术”和“电子技术实验”等课程的基本原理和分析方法，进一步将书本知识与工程实际需要结合起来。 此次课程设计的题目是设计一个2.1音响的音频功率放大器，由于时间有限，只有近一周时间，在查找、学习有关资料和在老师、学长学姐指导下，基本实现了这次课程设计的要求。
在这次设计中，自身确实遇了很多难以解决的问题，同时也学到了很多知识。掌握了功率放大器电路的设计与制作，掌握了NE5532、TDA2030、LM324等集成芯片的原理与作用，学会去检查电路中的错误与线路是否导通，进一步熟练万用表的使用，熟练利用Multisim和Proteus进行电路仿真。自身更接触到了与自己相关专业的具体的知识，感觉到所学的东西还是很有用的，在设计过程中不但巩固了学过的知识，而且也扩展了知识面，及时的发现了存在的许多不足。通过本次课程设计初步了解了一些专业软件的使用，如Multisim的软件的使用，也渐渐学会了查阅数据手册。
总之，在这次2.1音响--音频放大器设计过程中，自身学到了很多东西。相信自己在学习专业知识的道路上，会进一步努力拓展，多参与实战项目，争取将理论知识融合在实践中。
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附录 音频功率放大器电路原理图