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集成功率放大电路实验教学研究

2022-11-19许凤慧

科教导刊·电子版 2022年26期
关键词:功率放大喇叭输出功率

龚 晶,卢 娟,许凤慧,倪 雪

(陆军工程大学通信工程学院,江苏 南京 210007)

0 引言

集成功率放大器目前已经大量应用在日常的音响设备中,如收音机、电视机、汽车音响等。采用集成功放芯片的功放电路外接元件少,调试较为简易,性能稳定且可靠,成本也较低廉。由于功放电路中测量指标比较多,电路参数指标也较前序实验增加较多,但在实验中通过加入音乐信号试听,学生很容易通过切身感受体会到各种电路参数指标的影响,因此我们想通过集成功率放大器实验来强化学生对功率放大电路的理解,并逐步培养学生的电子实践与设计能力。

目前我校模拟电子技术实验总时数为16学时,只能安排8个单元电路实验,本实验教学时数为2学时,教学实施中只能安排先进行验证性实验,对集成功率放大实验电路(包括OTL和BTL模式)进行调整与测量,主要面向大部分学生,指导他们进行实验操作,了解实验电路的结构与测量方法;通过实际动手测量了解与熟悉功率放大电路中的各项指标参数,深刻体会OTL模式电路和BTL模式电路的特点,加深了解功率放大电路的原理;再进一步用Multisim仿真软件对集成功率放大电路进行仿真演示,方便学生掌握现代电子实验技术,并运用于实践当中[1]。最后对实验电路进行设计示例与说明,让学生了解实验电路的元件参数是如何逐步设计出来的,学习电路设计的思路及方法。后面两个步骤可由学生课下自行用仿真软件操作,并利用开放实验室进行设计实验的验证与测试,主要面向学习优异的学生,调动他们进行电子设计的兴趣,提高实践能力,增强创新意识。

1 集成功率放大电路实物实验TDA2822

功放的作用是向负载提供足够大的信号功率,以推动负载工作。集成功放的种类很多,本次实物实验采用了TDA2822集成功率芯片,它是小功率集成音频功率放大器,采用低电压供电,交越失真和静态电流小,一般适用于收音机等小功率场合[2]。TDA2822芯片为双排直插式8管脚封装,内部有两个音频功放放大单元,因此可直接用一片TDA2822就可以构成双声道放大,但此时输出的功率比较小,所以在想用此芯片提升功率时,一般采用BTL接法构成应用电路。图1为BTL模式的TDA2822功率放大实验电路。

图1 TDA2822功率放大实验电路(BTL连接)

图1中的RP为电位器,调节输入信号幅度,相应的调节了输出音量大小;C2是输入耦合电容,将音频信号耦合进功放电路;C4是耦合电容;C5是高频旁路电容,滤除高频干扰;C3和R2组成高通滤波器;R1、C6组成相位补偿电路,主要目的是消除电路自激,R2和C7同样也是消自激电路。

图1实验电路连接方式是BTL(Bridge-Tied-Load)桥接式连接[3]。此种连接方式无输出电容,喇叭(负载)两端分别接在TDA2822两个功放单元的输出端,像一座桥跨接在两端上,所以称为桥接式负载。BTL连接时,TDA2822的一个功放单元的输出是另外一个功放单元的镜像输出,即加在喇叭两端的信号幅度相等,相位相差180°,喇叭上将得到原来单个功放单元输出的2倍电压,因此整个BTL连接电路的输出功率将增加为原单个功放单元输出的4倍。

TDA2822采用BTL连接能充分利用电源电压,因此BTL连接经常用于低电源电压系统,有时也用于电池供电系统。TDA2822的电源范围很广,从3V到15V都可,所以早期的袖珍收录机中常用到TDA2822芯片。

TDA2822实验电路采用了5V的直流电源,主要是想电源电压低点,输出功率小点,防止学生误操作损坏芯片。学生连接好TDA2822实验电路,将喇叭处换为8大功率电阻,取代喇叭进行电路参数测试。

由于TDA2822是小功率功放芯片,最大输出功率不超过2W,且音质不是很理想,我们还可选用TDA2030[4]来进行实验,它的输出功率最大可达到20W,听觉效果非常好。TDA2030是一种常见的中功率集成音频功放芯片,常用于中功率音响设备。该芯片的特点是电源电压范围宽,输出电流大,输出功率大,谐波失真小。该芯片可采用双电源供电模式,适应性强;输入阻抗高,便于与前级阻抗匹配;内部保护电路比较完备,当输出短路时会自动降低功耗。

2 集成功率放大电路的仿真实验

打开Multisim仿真软件平台,调用Multisim模拟器件库中的TDA2030器件模型,按图2搭建好OTL音频功率放大电路,进行仿真电路操作。R1、R2、R3与TDA2030内部电路构成了差分输入电路,因此它有很高的输入阻抗,与前级电路的接续能力强。C1是偏置电阻R1的旁路电容;二极管D1和D2组成保护电路,当电源电压接反时防止喇叭中感性负载分量反冲;C7和R6组成相位补偿电路,主要目的是消除自激;电容C5是输出耦合电容,将放大的音频信号耦合给喇叭,发出声音;R4、R5和C4构成交流负反馈网络。

图2 TDA2030之OTL音频放大电路Multisim仿真电路

图中我们调用了许多虚拟仿真仪表,如万用表、示波器、功率计、谐波失真仪和扫频仪。万用表测试TDA2030功放电路的静态工作电流,在采用单个12V电源工作时,仿真测量为6.7mA;双踪示波器用于观察功放输出波形是否失真输出,确保功放电路能不失真放大;功率计检测此时输出功率为2W;谐波失真仪测量出总谐波失真THD为0.003%;扫频仪测量该功放电路的频带宽度为19Hz-26.8KHz,音频范围在此通频带范围内。

实验课后,部分学习能力较优的同学可以用选修课学过的PCB制板技术,自行设计PCB板,并焊接、组装、调试TDA2030实验电路,接上一个性能优异的喇叭,就可以组成一个实用的电子设备,且音质比较优美,学生对此非常感兴趣。

3 集成功率放大电路的设计示例

集成功率放大电器的电路一般都采用典型的电路,在图2中,TDA2030音频功率放大电路的电压放大增益为:

4 结语

在集成功率放大电路实验教学中,我们让学生先进行实物操作实验,测量各种功率放大电路的参数,并通过音乐试听提升实验兴趣;课后再搭建Multisim仿真实验电路进行参数的调整及测试,如可以更改R4和R5比值,这样就可以更改音频放大电路的放大倍数,这就是一种电路设计。通过电路仿真,可以帮助学生更加熟悉音频功率放大电路的电路结构,更加了解各元件的作用。通过仿真操作,学生对于各种常用实验仪器的使用方法更加了解,也能操作一些实验室所没有配备的实验设备,学会一些较为昂贵的实验仪表的使用方法。在进行实物实验过程时,就可以更深入地理解实验原理和实验现象,达到了实验的目的。

今后,在模拟电子技术实验教学设计及实施方面,我们还有很多改革工作要做。我们将踏踏实实,不断探索,与时俱进。

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