集成功率放大電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

龔 晶，盧 娟，許鳳慧，倪 雪

（陸軍工程大學(xué)通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

0 引言

集成功率放大器目前已經(jīng)大量應(yīng)用在日常的音響設(shè)備中，如收音機(jī)、電視機(jī)、汽車(chē)音響等。采用集成功放芯片的功放電路外接元件少，調(diào)試較為簡(jiǎn)易，性能穩(wěn)定且可靠，成本也較低廉。由于功放電路中測(cè)量指標(biāo)比較多，電路參數(shù)指標(biāo)也較前序?qū)嶒?yàn)增加較多，但在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)加入音樂(lè)信號(hào)試聽(tīng)，學(xué)生很容易通過(guò)切身感受體會(huì)到各種電路參數(shù)指標(biāo)的影響，因此我們想通過(guò)集成功率放大器實(shí)驗(yàn)來(lái)強(qiáng)化學(xué)生對(duì)功率放大電路的理解，并逐步培養(yǎng)學(xué)生的電子實(shí)踐與設(shè)計(jì)能力。

目前我校模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)總時(shí)數(shù)為16學(xué)時(shí)，只能安排8個(gè)單元電路實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)數(shù)為2學(xué)時(shí)，教學(xué)實(shí)施中只能安排先進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，對(duì)集成功率放大實(shí)驗(yàn)電路（包括OTL和BTL模式）進(jìn)行調(diào)整與測(cè)量，主要面向大部分學(xué)生，指導(dǎo)他們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，了解實(shí)驗(yàn)電路的結(jié)構(gòu)與測(cè)量方法；通過(guò)實(shí)際動(dòng)手測(cè)量了解與熟悉功率放大電路中的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，深刻體會(huì)OTL模式電路和BTL模式電路的特點(diǎn)，加深了解功率放大電路的原理；再進(jìn)一步用Multisim仿真軟件對(duì)集成功率放大電路進(jìn)行仿真演示，方便學(xué)生掌握現(xiàn)代電子實(shí)驗(yàn)技術(shù)，并運(yùn)用于實(shí)踐當(dāng)中[1]。最后對(duì)實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)示例與說(shuō)明，讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)電路的元件參數(shù)是如何逐步設(shè)計(jì)出來(lái)的，學(xué)習(xí)電路設(shè)計(jì)的思路及方法。后面兩個(gè)步驟可由學(xué)生課下自行用仿真軟件操作，并利用開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證與測(cè)試，主要面向?qū)W習(xí)優(yōu)異的學(xué)生，調(diào)動(dòng)他們進(jìn)行電子設(shè)計(jì)的興趣，提高實(shí)踐能力，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)。

1 集成功率放大電路實(shí)物實(shí)驗(yàn)TDA2822

功放的作用是向負(fù)載提供足夠大的信號(hào)功率，以推動(dòng)負(fù)載工作。集成功放的種類(lèi)很多，本次實(shí)物實(shí)驗(yàn)采用了TDA2822集成功率芯片，它是小功率集成音頻功率放大器，采用低電壓供電，交越失真和靜態(tài)電流小，一般適用于收音機(jī)等小功率場(chǎng)合[2]。TDA2822芯片為雙排直插式8管腳封裝，內(nèi)部有兩個(gè)音頻功放放大單元，因此可直接用一片TDA2822就可以構(gòu)成雙聲道放大，但此時(shí)輸出的功率比較小，所以在想用此芯片提升功率時(shí)，一般采用BTL接法構(gòu)成應(yīng)用電路。圖1為BTL模式的TDA2822功率放大實(shí)驗(yàn)電路。

圖1 TDA2822功率放大實(shí)驗(yàn)電路（BTL連接）

圖1中的RP為電位器，調(diào)節(jié)輸入信號(hào)幅度，相應(yīng)的調(diào)節(jié)了輸出音量大小；C2是輸入耦合電容，將音頻信號(hào)耦合進(jìn)功放電路；C4是耦合電容；C5是高頻旁路電容，濾除高頻干擾；C3和R2組成高通濾波器；R1、C6組成相位補(bǔ)償電路，主要目的是消除電路自激，R2和C7同樣也是消自激電路。

圖1實(shí)驗(yàn)電路連接方式是BTL（Bridge-Tied-Load）橋接式連接[3]。此種連接方式無(wú)輸出電容，喇叭（負(fù)載）兩端分別接在TDA2822兩個(gè)功放單元的輸出端，像一座橋跨接在兩端上，所以稱(chēng)為橋接式負(fù)載。BTL連接時(shí)，TDA2822的一個(gè)功放單元的輸出是另外一個(gè)功放單元的鏡像輸出，即加在喇叭兩端的信號(hào)幅度相等，相位相差180°，喇叭上將得到原來(lái)單個(gè)功放單元輸出的2倍電壓，因此整個(gè)BTL連接電路的輸出功率將增加為原單個(gè)功放單元輸出的4倍。

TDA2822采用BTL連接能充分利用電源電壓，因此BTL連接經(jīng)常用于低電源電壓系統(tǒng)，有時(shí)也用于電池供電系統(tǒng)。TDA2822的電源范圍很廣，從3V到15V都可，所以早期的袖珍收錄機(jī)中常用到TDA2822芯片。

TDA2822實(shí)驗(yàn)電路采用了5V的直流電源，主要是想電源電壓低點(diǎn)，輸出功率小點(diǎn)，防止學(xué)生誤操作損壞芯片。學(xué)生連接好TDA2822實(shí)驗(yàn)電路，將喇叭處換為8大功率電阻，取代喇叭進(jìn)行電路參數(shù)測(cè)試。

由于TDA2822是小功率功放芯片，最大輸出功率不超過(guò)2W，且音質(zhì)不是很理想，我們還可選用TDA2030[4]來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，它的輸出功率最大可達(dá)到20W，聽(tīng)覺(jué)效果非常好。TDA2030是一種常見(jiàn)的中功率集成音頻功放芯片，常用于中功率音響設(shè)備。該芯片的特點(diǎn)是電源電壓范圍寬，輸出電流大，輸出功率大，諧波失真小。該芯片可采用雙電源供電模式，適應(yīng)性強(qiáng)；輸入阻抗高，便于與前級(jí)阻抗匹配；內(nèi)部保護(hù)電路比較完備，當(dāng)輸出短路時(shí)會(huì)自動(dòng)降低功耗。

2 集成功率放大電路的仿真實(shí)驗(yàn)

打開(kāi)Multisim仿真軟件平臺(tái)，調(diào)用Multisim模擬器件庫(kù)中的TDA2030器件模型，按圖2搭建好OTL音頻功率放大電路，進(jìn)行仿真電路操作。R1、R2、R3與TDA2030內(nèi)部電路構(gòu)成了差分輸入電路，因此它有很高的輸入阻抗，與前級(jí)電路的接續(xù)能力強(qiáng)。C1是偏置電阻R1的旁路電容；二極管D1和D2組成保護(hù)電路，當(dāng)電源電壓接反時(shí)防止喇叭中感性負(fù)載分量反沖；C7和R6組成相位補(bǔ)償電路，主要目的是消除自激；電容C5是輸出耦合電容，將放大的音頻信號(hào)耦合給喇叭，發(fā)出聲音；R4、R5和C4構(gòu)成交流負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。

圖2 TDA2030之OTL音頻放大電路Multisim仿真電路

圖中我們調(diào)用了許多虛擬仿真儀表，如萬(wàn)用表、示波器、功率計(jì)、諧波失真儀和掃頻儀。萬(wàn)用表測(cè)試TDA2030功放電路的靜態(tài)工作電流，在采用單個(gè)12V電源工作時(shí)，仿真測(cè)量為6.7mA；雙蹤示波器用于觀察功放輸出波形是否失真輸出，確保功放電路能不失真放大；功率計(jì)檢測(cè)此時(shí)輸出功率為2W；諧波失真儀測(cè)量出總諧波失真THD為0.003%；掃頻儀測(cè)量該功放電路的頻帶寬度為19Hz-26.8KHz，音頻范圍在此通頻帶范圍內(nèi)。

實(shí)驗(yàn)課后，部分學(xué)習(xí)能力較優(yōu)的同學(xué)可以用選修課學(xué)過(guò)的PCB制板技術(shù)，自行設(shè)計(jì)PCB板，并焊接、組裝、調(diào)試TDA2030實(shí)驗(yàn)電路，接上一個(gè)性能優(yōu)異的喇叭，就可以組成一個(gè)實(shí)用的電子設(shè)備，且音質(zhì)比較優(yōu)美，學(xué)生對(duì)此非常感興趣。

3 集成功率放大電路的設(shè)計(jì)示例

集成功率放大電器的電路一般都采用典型的電路，在圖2中，TDA2030音頻功率放大電路的電壓放大增益為：

4 結(jié)語(yǔ)

在集成功率放大電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們讓學(xué)生先進(jìn)行實(shí)物操作實(shí)驗(yàn)，測(cè)量各種功率放大電路的參數(shù)，并通過(guò)音樂(lè)試聽(tīng)提升實(shí)驗(yàn)興趣；課后再搭建Multisim仿真實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整及測(cè)試，如可以更改R4和R5比值，這樣就可以更改音頻放大電路的放大倍數(shù)，這就是一種電路設(shè)計(jì)。通過(guò)電路仿真，可以幫助學(xué)生更加熟悉音頻功率放大電路的電路結(jié)構(gòu)，更加了解各元件的作用。通過(guò)仿真操作，學(xué)生對(duì)于各種常用實(shí)驗(yàn)儀器的使用方法更加了解，也能操作一些實(shí)驗(yàn)室所沒(méi)有配備的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，學(xué)會(huì)一些較為昂貴的實(shí)驗(yàn)儀表的使用方法。在進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)過(guò)程時(shí)，就可以更深入地理解實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的目的。

今后，在模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)及實(shí)施方面，我們還有很多改革工作要做。我們將踏踏實(shí)實(shí)，不斷探索，與時(shí)俱進(jìn)。