一种基于TDA2030A的有源二分频音频放大电路设计_舒宁.pdf

中国科技信息 2023 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023-70-两星推荐分频器往往相当于音频处理系统中的“大脑”，对音质效果起到至关重要的作用。音频信号必须经过分频器中的滤波元件处理，让各单元特定频率的信号通过，从而使各频段的频响变得平滑、声像相位准确，使高、中、低音播放出来的音频层次更加分明。针对音频设备应用，需要对动态范围大的音频信号进行预处理，使音频信号维持在一个合理的幅度内，从而保证音频输出的良好效果，以避免由于信号过大造成后级电路产生严重失真损坏音质，或信号过小受到噪声干扰使声音淹没等现象，在音频处理电路中常常使用 AGC 电路来处理这个问题。此外，还要设计相应的功率放大电路将音频信号的功率放大，使得扬声器正常工作。因此，本文设计了一种基于TDA2030A 的有源二分频音频放大电路，以满足音频处理的绝大部分需求。电路设计该电路系统主要由前置放大电路、低通滤波电路、高通滤波电路以及功率放大电路组成。系统框图如图 1 所示。前置放大电路设计该部分采用了 MAX9814 麦克风放大器，此模块集成了低噪声前置放大电路、可变增益放大器、输出放大器、麦克风偏压发生器以及 AGC 控制电路。经过使用发现模块在输入信号为 16160mVpp 时自动增益效果相对稳定，因此需要使用 NE5532 芯片搭建一级放大电路将输入信号缩小到 16160mVpp 范围内再输入该模块。通过修改 TH 端口的电压值即可改变输出电压，正常稳定输出电压为 2 倍。通过以下计算公式求得：其中 VMICBIS为内置的麦克风偏置电压源，典型电压值为 2V。模块所焊接的 R4 为 100k，R3 为 150k，通过行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度图 1 系统框图随着智能手机、平板电脑等消费电子的飞速发展，消费者对声音效果的需求越来越高，除了要求声音足够大，还要求更高的音质，因此需要一种高性能的电路系统对声音信号进行处理。本文设计了一种基于 TDA2030A 的有源二分频音频放大电路，该电路主要由前置放大电路、分频电路以及功率放大电路组成，可对100Hz20kHz 的音频信号进行处理，满足了音频设备的需求。一种基于 TDA2030A 的有源二分频音频放大电路设计舒 宁舒 宁北方工业大学-71-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023中国科技信息 2023 年第 8 期两星推荐计算 VTH=0.80V，AGC 最大输出电压即为 1.60Vpp。由于模块稳定工作电压范围较小且放大倍数不足，因此在输出后先使用电压跟随器以隔离前后级电路，消除它们之间的相互影响，在后级使用放大电路使得前置放大电路输出约为 2.00V（有效值）。通过以上设计可使得输入正弦信号幅度在 10100mV（有效值）范围变化时，输出信号在 100Hz20kHz 频带内的幅度变化 1dB，且信号波形无失真。前置放大电路原理，如图 2 所示。高通滤波电路设计滤波器的性能是否优良直接影响了整个电路系统的性能，该部分选择了使用 NE5532 芯片，该芯片具有更好的噪声性能、优良的输出驱动能力以及相当高的小信号带宽，在用作音频放大时音质保真度更高。这里用 NE5532 芯片搭建了 6 阶巴特沃斯高通滤波器，以满足足够的阻滞衰减和更小的通频带内波动。由于 TINA 仿真软件没有 NE5532 这款芯片，在仿真时使用了与 NE5532 内部运放芯体相同电路结构和生产工艺的 NE5534 芯片代替仿真，在性能上二者大致相同。该高通滤波器实现了在-3dB 截止频率为 2kHz，阻带衰减率为 24dB/倍频程，同时在 10kHz20kHz 带内波动 3dB。高通滤波电路原理，如图 3 所示。低通滤波电路设计低通滤波电路的设计与高通滤波器设计大致相同，同样使用了 NE5532 芯片，并使用 NE5534 芯片代替仿真。这里使用 NE5532 芯片搭建了 4 阶切比雪夫低通滤波器，以满足足够的阻滞衰减以及相对较小的通频带内波动。该低通滤波器实现了在-3dB 截止频率为 2KHz，阻带衰减率为 24dB/倍频程，同时在 100Hz1kHz 带内波动 3dB。低通滤波器原理，如图 4 所示。功率放大电路设计功率放大电路选用了 TDA2030A 模块，这是一款由德律风根生产的音频功放电路，采用 V 型 5 脚单列直插式塑料封装结构。该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，具有体积小、输出功率大、失真小等特点。考虑其与整个电路系统的兼容性，更换了模块的散热片以及耐压更高的电容，使电路能够承受更大的电压，并在大功率的情况下工作更长时间，且输出效果正确、稳定。通过调节滑动变阻器可调节电路的放大倍数，最终可在低通滤波电路提供不低于 4W 的功率，在高通滤波电路提供不低于 2W 的功率。功率放大电路原理，如图 5 所示。电路仿真分析与实验高通滤波电路仿真分析如图 3 所示，使用 TI 公司的 TINA 软件搭建相应电路并对仿真结果进行分析。使用正弦信号作为模拟信号源得出了该高通滤波电路的幅频特性曲线，如图 6 所示。由仿真结果分析可得电路通带可达到 10kHz20kHz，且带内波动 3dB，频带内增益平稳，没有异常凸起等现象，-3dB 处截止频率约为 2kHz，且阻带衰减率约为24dB/倍频程，满足设计需求。低通滤波电路仿真分析如图 4 所示，同样使用 TI 公司的 TINA 软件搭建相应电路并对仿真结果进行分析。使用正弦信号作为模拟信号源得出该低通滤波电路的幅频特性曲线，如图 7 所示。由仿真结果分析可得电路通带达到 100Hz1kHz，且带内波动3dB，频带内增益平稳，没有异常凸起等现象，-3dB处截止频率约为 2kHz，且阻带衰减率约为 24dB/倍频程，满足设计需求。图 4 低通滤波电路图 3 高通滤波电路图 2 前置放大电路中国科技信息 2023 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023-72-两星推荐图 7 低通滤波电路幅度响应图 6 高通滤波电路幅度响应图 5 功率放大电路实验与测试结果通过实验对设计电路进行动态性能分析，为了保证输入信号可控，同时方便观察输出信号，在测试时采用函数信号发生器产生标准的正弦信号。为了使电路更好应用于音频设备，在高通电路使用了 8/4W 功率电阻，在低通电路使用了 4/8W 功率电阻以替代扬声器的作用，并利用数字示波器观察输出信号。如表1、表2以及表3所示，将动态范围10100mV（有效值）且频率动态范围为 10020kHz 的正弦信号输入该电路，在示波器上测量各部分电路的输出。由以上测试结果可知，前置放大电路在固定输入信号幅值而改变频率所测量出的结果最小值为 2.106V，最大值为2.166V，与理论值的误差最大为 0.3%；而在固定输入信号频率，改变幅值所测量出的结果最小值为 2.106V，最大值为 2.154V，与理论值误差最大为 2%。可以看出在低幅值时自动增益电路工作稍差但仍在误差允许范围内。高通滤波电路在通频带 10kHz20kHz 内输出电压有效值为 3.900.08V，带内波动小于-3dB，可在 8/4W功率电阻上提高不小于 2W 的不失真信号。在 2kHz 截止频率附近电压有效值为 2.900.07V，1kHz 时电压有效值为170mV，与 2kHz 截止频率处相比阻带衰减率约为 24dB/倍频程。低通滤波电路在通频带 100Hz1kHz 内输出电压有效值为 3.900.60V，带内波动小于-3dB，可在 4/8W 功率电阻上提供不小于 4W 的不失真信号。在 2kHz 截止频率附近电压有效值为 2.600.06V，4kHz 时电压有效值约为170mV，与 2kHz 截止频率相比阻带衰减率约为 24dB/倍频程。误差分析仪器仪表误差：由于仪器仪表的电气或机械性能不完善所产生的误差，如在测试时使用的示波器探极线、万用表的探头，都有可能产生一定的误差。使用误差：由于在使用仪器过程中会因使用不当产生一定的误差，如测试引线太长而造成损耗、未考虑阻抗匹配，或地线接地不良，都会产生一定的使用误差。环境误差：由于测试环境的影响，由温度、湿度、气压、电磁场等因素产生的误差。元器件误差：由于电阻电容的材料以及构造，本身具有一定的误差，实际值与标记值有一定差距，不能保证精度。改进措施由于该电路采用纯手工焊接，可能会出现虚焊的情况，若使用 PCB 板制作电路的稳定性更好，且更利于模块化，便于维护的同时能够充分利用板子上的资源。由于 TDA2030A 功放在输出端有一个电容造成“卡脖子”的问题，使其对低音效果的表现较差，可以使用美国国半公司研发的 LM1875 进行替换，该功率放大集成块输出功率大、失真度小、保护功能齐全，外围元件少，制作调试容易，工作稳定可靠。结语设计了一种基于 TDA2030A 的有源二分频音频放大电-73-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023中国科技信息 2023 年第 8 期两星推荐路，可实现 100Hz20kHz 声音信号的自动增益控制。前置放大电路由电压跟随器、放大电路和自动增益控制电路组成，分频电路则分别由高通滤波电路、低通滤波电路组成，并在每个支路引入了基于 TDA2030A 的功放电路。该设计为纯硬件电路，没有使用单片机来进行数据处理，不需要使用复杂的算法，为音频信号处理技术提供了一种解决方案。表 1 前置放大电路测试数据幅值频率10mV20 mV30 mV50 mV70 mV90 mV100 mV100 Hz2.106V2.157V2.160V2.158V2.160V2.157V2.166V150 Hz2.130V2.156V2.161V2.164V2.162V2.162V2.163V200 Hz2.120V2.147V2.156V2.161V2.154V2.161V2.152V1kHz2.127V2.156V2.166V2.168V2.168V2.165V2.159V10kHz2.155V2.168V2.174V2.172V2.169V2.164V2.160V19kHz2.154V2.171V2.177V2.178V2.175V2.175V2.172V20kHz2.154V2.168V2.176V2.177V2.174V2.174V2.175V表 2 高通滤波功放电路测试数据频率幅值500Hz1kHz1.9kHz2kHz2.1kHz10kHz20kHz10 mV22.52mV169.80mV2.74V2.85V2.93V3.97V3.92V20 mV11.51mV169.50mV2.77V2.88V2.96V3.95V3.93V50 mV7.98mV168.50mV2.78V2.89V2.97V3.97V3.97V70 mV7.54mV169.30mV2.78V2.89V2.97V3.93V3.97V100 mV7.40mV167.60mV2.77V2.87V2.95V3.98V3.99V表 3 低通滤波功放电路测试数据频率幅值100Hz1kHz1.9kHz 2kHz2.1kHz4kHz8kHz10 mV3.82V3.28V2.60V2.56V2.49V167.10mV9.21mV20 mV3.87V3.39V2.63V2.59V2.52V171.00mV9.01mV50 mV3.89V3.41V2.63V2.60V2.52V168.20mV8.85mV70 mV3.88V3.42V2.53V2.60V2.53V170.50mV8.87mV100 mV3.88V3.39V2.62V2.58V2.50V166.80mV8.69mV更正本刊 2023 年第 7 期一种直升机模拟器大气环境仿真模型设计一文，作者单位更正为：中国直升机