OCL功率放大器_课程设计(论文).doc

本科生课程设计（论文） i 辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 模拟电子技术基础模拟电子技术基础 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目：ocl功率放大器功率放大器 本科生课程设计（论文） ii 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电子与信息工程学院 教研室：电子信息与工 程 学 号学生姓名专业班级 课程设计 （论文） 题目 ocl 功率放大器 课程设计（论文）任务 设计参数： 1.采用全部或部分分立元件设计一种 ocl 音频功率放大器。 2.额定输出功率wp10 0 3.负载阻抗 8 l r。 4.失真度%3 5.设计放大器所需的直流稳压电源。 设计要求： 1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环 境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。 2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、 成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。 3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设 计。 4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出 的规律摆放各电路，并标出必要的说明。 本科生课程设计（论文） iii 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 注：成绩：平时 20% 论文质量 60% 答辩 20% 以百分制计算 本科生课程设计（论文） iv 摘 要 放大电路实质上都是能量转换电路。从能量控制的观点来看，功率放大电路 和电压放大电路没有本质的区别。但是，功率放大电路和电压放大电路所要完成 的任务是不同的。其中功率放大电路的要求为获得一定的不失真（或失真较小） 的输出功率，而电压放大电路的主要要求为使其输出端得到不失真的电压信号。 ocl 功率放大器是一种直接耦合的功率放大器，它具有频响宽，保真度高。 动态特性好及易于集成化等特点。ocl 是英文 output capacitor less 的缩写，意 为无输出电容。采用双端电源供电，使用了正负电源，在电压不太高的情况下， 也能获得比较大的输出功率，省去了输出端的耦合电容。使放大器低频特性得到 扩展。ocl 功率放大电路也是定压式输出电路，由于电路性能比较好，所以广泛 的应用在高保真扩音设备中。性能优良的集成功率放大器给电子电路的功放级的 调试带来了极大的方便。本次课程设计主要采用分立元件电路法进行设计。分别 设计直流稳压电源，前置放大电路以及功率放大电路。其中前置放大电路采用差 分式放大电路。 关键词：ocl 功率放大器；功率放大电路；无输出电容；能量转换电路 本科生课程设计（论文） v 目 录 第 1 章 ocl 功率放大器设计方案论证.1 1.1 ocl 功率放大器的应用意义1 1.2 ocl 功率放大器设计的要求及参数1 1.3 设计方案论证1 1.3.1 方案一1 1.3.2 方案二 .2 1.3.3 方案的对比 .2 1.4 总体设计方案框图及分析3 第 2 章 ocl 功率放大器各单元电路设计 .5 2.1 直流稳压电源设计5 2.2 前置放大级设计6 2.3 功率放大电路设计 .7 第 3 章 ocl 功率放大器整体电路设计.9 3.1 整体电路图及工作原理9 3.2 电路参数计算.11 3.2.1 确定电源电压参数 .11 3.2.2 确定功率输出管的参数 .12 3.2.3 复合管的参数选择 .12 3.2.4 前置放大电路部分 .12 3.2.5 部分重要电阻的参数选择 .13 3.3 整体电路性能分析.13 第 4 章设计总结 14 本科生课程设计（论文） vi 参考文献 15 附录 i 总体电路图16 附录 ii 元器件清单.18 本科生课程设计（论文） 1 第 1 章 ocl 功率放大器设计方案论证 1.1ocl 功率放大器的应用意义 ocl(output capacitorless 无输出电容器)电路是采用正负两组对称电源供电, 没有输出电容器的直接耦合的单端推挽电路,负载接在两只输出管中点和电源中 点. ocl 功率放大器是在 otl 功率放大器的基础上发展起来的一种全频带直接耦 合低功率放大器，它在高保真扩音系统中得到了广泛应用。 1.2 ocl 功率放大器设计的要求及参数 本次课程设计需要采用全部或部分分立元件设计此 ocl 音频功率放大器。并 设计出此功率放大器所需的直流稳压电源。设计参数如下所示： 1. 额定输出功率wp10 0 。 2. 负载阻抗 8 l r。 3. 失真度%3 1.3 设计方案论证 1.3.1 方案一 首先做一个简单的线性电源，将 220v 交流电降压后，采用桥式整流、再用 简单的滤波电路滤波、三端集成稳压器稳压，最后再经滤波电路滤波，选取 vcc/2 为地，由于输出功率比较大，将 vcc 定值为 30v，最后做成一个电压稳定 的正负 15v 电源。采用集成运放进行电压的放大，最后采用乙类互补对称电路 放大电流，然后将信号输出。 图 1-1 方案一框图 电源电路 信号输出输出级乙类互补对称放大 信号输入集成运放放大 本科生课程设计（论文） 2 1.3.2 方案二 首先做一个简单的线性电源，将 220v 交流电降压后(采用三端输出的电压 器)采用桥式整流、再用简单的滤波电路滤波、三端集成稳压器稳压，最后再经 滤波电路滤波，选取 vcc/2 为地，由于输出功率比较大，将 vcc 定值为 30v，最 后做成一个电压稳定的正负 15v 电源。然后将信号经过差分式放大电路，进行信 号放大，最后采用甲乙类互补对称电路进一步放大电流，最后得到波形稳定的输 出信号。全部采用分立原件，中间放大级采用直接耦合。 图 1-2 方案二框图 1.3.3 方案的对比 相同点： 两方案的基本的设计思想相同，都是先做一个正负 15v 的电源然后基于甲乙 类双电源互补对称电路放大原理对信号进行放大。 不同点： 方案一方案二 输入级直接利用集成运放放大电压。全部采用分立元件，电路结构易 于理解分析。 比较（优点）方案二结构简单、思路易懂。 放大级电流放大：只考虑输出电流与输入 电流的关系。比如说，对于一个 ua 级的信号，就需要放大后才能 使电路进行识别，就需要做电流放 大。 电压放大：只考虑输出电压和输 入电压的关系。比如说有的信号 电压低，需要放大后才能被模数 转换电路识别，这时就只需做电 压放大。 输出级乙类互补对称放大甲乙类互补对称放大 比较（优点）方案二甲乙类互补对称放大能够避免交越失真 表 1-1 两种方案对比表 综上所述，通过比较，本设计选用方案二。 电源电路 信号输出输出级甲乙类互补对称放大 信号输入差分放大 本科生课程设计（论文） 3 根据本课题要求，我们所设计的 ocl 音频功率放大器应由以下几部分组成： 直流稳压电源、前置放大电路和功率放大电路。以下逐一加以设计及论证。 电源部分： 本设计的电源通过变压器变为 20v 交流电，经整流滤波得到30 v 的直流电； 同时直流电再经三端集成稳压电路输出24 v，供应前置放大电路和功率放大器 使用。 信号放大部分： 前置放大电路采用低噪声双运放，分别以相同放大的方式，作为左右通道的 信号放大。 功率放大电路由三部分组成：输入级、推动级和输出级。输入级由有两个三 极管组成的差分放大电路构成，推动级由一个三极管组成，输出级由两个三极管 对称构成。两输出管分别由正、负两组电源供电，扬声器直接接在两输出管的输 出端与地之间，同时应使本功放工作在甲乙类状态。 1.4 总体设计方案框图及分析 总体设计方案框图：（如下图 1-3 所示） 图 1-3 总体设计方案框图 分析：本设计采用市电供电，将市电 220 v 通过变压器变成24 v 的直流电， 直 流 稳 压 电 源 前 置 放 大 电 路 功 率 放 大 电 路 输 出 信 号 输 入 220v 市电 放 大 初 步 -24v +24v +24v -24v 本科生课程设计（论文） 4 供前置放大器与功率放大器使用。输入信号通过前置放大电路进行初步放大，再 经过功率放大器进行进一步的放大。最后通过输出端输出，即得到所需。 本科生课程设计（论文） 5 第 2 章 ocl 功率放大器各单元电路设计 2.1 直流稳压电源设计 220 v 市电经变压器输出一组独立的 20 v 交流电，大电容滤波得到30 v 直流电，再加一个 100nf 小电容滤除电源中的高频分量。考虑到制作过程中电源 空载时的电容放电可在输出电容并上 601 大功率电阻。另外这组直流电还要传 给 lm7824、lm7924 来获得24 v。 万一输入端短路，大电容放电会使稳压块由于反电流冲击而损坏，加两个二 极管可使反相电流流向输入端起到保护作用。 （如图 2-1 所示） 图 21 直流稳压电源设计 仿真如图 2-2 所示：输出电压 vo=24v， 得到要求直流稳压电源。 本科生课程设计（论文） 6 图 2-2 输出电压 2.2 前置放大级设计 音频功率放大器的作用是将声音源输入的信号进行放大，然后驱动扬声器输 出。声音源的种类有多种，如传声器（音源） 、电唱机、录音机（放音磁头） 、cd 唱机及线路传输等，这些声音源的输出信号的电压差别很大，从零点几毫伏到几 百毫伏。一般功率放大器的输入灵敏度是一定的，这些不同的声音源信号如果直 接输入到功率放大器中的话，对于输入过低的信号，功率放大器输出功率不足， 不能充分发挥功放的作用；假如输入信号的幅值过大，功率放大器的输出信号将 严重过载失真，这样将失去了音频放大的意义。所以一个实用的音频功率放大系 统必须设置前置放大器，以便使放大器适应不同的的输入信号，或放大，或衰减， 或进行阻抗变换，使其与功率放大器的输入灵敏度相匹配。另外在各种声音源中， 除了信号的幅度差别外，它们的频率特性有的也不同，如电唱机输出信号和磁带 放音的输出信号频率特性曲线呈上翘形，即低音被衰减，高音被提升。对于这样 的输入信号，在进行功率放大器之前，需要进行频率补偿，使其频率特性曲线恢 复到接近平坦的状态，即加入频率均衡网络放大器。 对于音源和线路输入信号，一般只需将输入信号进行放大和衰减，不需要进 行频率均衡。前置放大器的主要功能:一是使音源的输出阻抗与前置放大器的输 入阻抗相匹配；二是使前置放大器的输出电压幅度与功率放大器的输入灵敏度相 匹配。由于音源输出信号非常微弱，一般只有 100v 毫伏左右，所以前置放大 器输入级的噪声对整个放大器的信噪比影响很大。前置放大器的输入级首先采用 低噪声电路，对于由晶体管组成的分立元件组成的前置放大器，首先要选择低噪 声的晶体管，另外还要设置合适的静态工作点。由于场效应管的噪声系数一般比 晶体管小，而且它几乎与静态工作点无关，在要求高输入阻抗的前置放大器的情 况下，采用低噪声场效应管组成放大器是合理的选择。如果采用集成运算放大器 构成前置放大器，一定要选择低噪声、低漂移的集成运算放大器。对于前置放大 器的另外一要求是要有足够宽的频带，以保证音频信号进行不失真的放大。前端 放大功能是完成小信号的电压放大任务、提高信噪比，其失真度和噪声对系统的 影响最大，是应该优先考虑的指标。 本设计采用双运放 ne5532ai（如图 2-3 所示） 。实际制作中将它接成同相放 大形式，运放反相端串联 47 f 的电解电容，让交流信号全反馈，信号放大倍 数 1+rf/r0（r0=r2 和 r8）,其中rf为反馈电阻，在其上并联一个电阻抑制自激震 荡，r2，r8 为负反馈对地电阻。预计放大倍数为 20db 左右。取rf =20k, r0 =1k。avf = 1+20/1=21db。 本科生课程设计（论文） 7 图 2-3 前置放大电路设计 经过仿真测量，无法达到预期放大倍数。 2.3 功率放大电路设计 电路组成：该电路主要由差动输入放大电路、电压放大电路、自举电路、交 越失真消除电路、复合互补电路、负反馈电路、扬声器补偿电路等组成。ocl 功 率放大电路由于采用了全电路直接耦合方式，温度漂移对电路影响比较大，采用 差动输入放大电路，抑制温度升高导致的零点漂移较为理想。 另一方面，共用电阻 r4 也作为负反馈电阻，通过电流负反馈作用，进一步减 少工作点的零点漂移。当信号经过差动电路输出后到后一级三极管 q3，q3 为共 发射级电路，共射级电路具有电压放大作用，所以信号经 q3 电压放大后，输入 到下一级，下一级 q4，q5 组成对称互补放大电路，两个三极管都为共集电极电 路，共集电极电路没有电压放大作用，电压放大倍数近似为 1，但它有电流放大 作用，经 q4，q5 两个互补对称三级管组成的电路放大后，信号电压和电流同时 被放大，也就是功率（i）被放大，最后经功率放大三极管 q6,q7 输出， 驱动扬声器发声。调节电位器 r可以改变的基集的电流，从而改变前级差 动放大电路的信号输出大小，影响后面的每一级放大电路，使功率放大级输出信 号的功率增大或者减小，也就是使我们所听到的声音增大或者减小。 q3 和 q4 基级和集电极都并联一个 15pf 的小电容，这个是为了防止自激而损 本科生课程设计（论文） 8 坏电路而附加上去的。扬声器补偿电路由 r10、c4 组成，由于扬声器为感性负载， 在瞬间大动态信号作用下，容易损坏扬声器内的线圈。接入 r10、c4 组成容性负 载，补偿由于感性负载产生移相，保护扬声器。 图 2-4 功率放大电路设计 本科生课程设计（论文） 9 第 3 章 ocl 功率放大器整体电路设计 3.1 整体电路图及工作原理 ocl 功率放大器整体电路设计框图如下图所示（分别为直流稳压电源电路， 前置放大级电路和功率放大电路）： 图 3-1 直流稳压电源 本科生课程设计（论文） 10 图 3-2 前置放大级电路 图 3-3 功率放大电路 220v 市电经变压器、桥式整流、滤波以及运放 lm7824、lm7924 可获得24v 的直流电。用此电源给前置放大电路及功率放大器提供能量。 普通信号经由输入端输入到前置放大电路，电容滤除信号中的直流量，流入 双运放 ne5532ai 放大。放大信号可经电阻、电容进行负反馈，通过测试后从输 出端输出，形成初步放大信号。 图中 q1、q2、r3、r2、r4 组成单端输入、单端输出的差动放大电路。该电 本科生课程设计（论文） 11 路由于采用两个特性相同的三极管组成对称放大电路，并且发射极上共用电阻 r4 共同作用，达到抑制温度漂移的效果。一方面，共用发射极电阻，使两放大电路 由于零点漂移产生的参数变化同时进行，零点漂移被抵消，具体过程如下： ic1ib1 ube1ib1ic1 t ur8 ic8ib8 ube8ib8ic8 另一方面，共用电阻 r4 也作为负反馈电阻，通过电流负反馈作用，进一步 减少工作点的零点漂移。当信号经过差动电路输出后到后一级三极管 q3，q3 为 共发射级电路，共射级电路具有电压放大作用，所以信号经 q3 电压放大后，输 入到下一级，下一级 q4，q5 组成对称互补放大电路，两个三极管都为共集电极 电路，共集电极电路没有电压放大作用，电压放大倍数近似为 1，但它有电流放 大作用，经 q4，q5 两个互补对称三级管组成的电路放大后，信号电压和电流同 时被放大，也就是功率（i）被放大，最后经功率放大三极管 q6,q7 输出， 驱动扬声器发声。调节电位器 r可以改变的基集的电流，从而改变前级差 动放大电路的信号输出大小，影响后面的每一级放大电路，使功率放大级输出信 号的功率增大或者减小，也就是使我们所听到的声音增大或者减小。 q3 和 q4 基级和集电极都并联一个 15pf 的小电容，这个是为了防止自激而损 坏电路而附加上去的。扬声器补偿电路由 r10、c4 组成，由于扬声器为感性负载， 在瞬间大动态信号作用下，容易损坏扬声器内的线圈。接入 r10、c4 组成容性负 载，补偿由于感性负载产生移相，保护扬声器。 3.2 电路参数计算 3.2.1 确定电源电压参数 为了达到设计要求，同时使电路安全可靠地工作，电路的最大输出功率 pom 应比设计指标大一些，一般取pom（1.52）po。 由于pom=v 2om/2rl,因此，最大输出电压为 vom=(2pomrl)1/2。考虑到输出功率 管 q6 和 q7 的饱和压降，所以电源电压常取 vcc=(1.21.5)vom。 设计要求 po10w。所以由以上公式可得 pom1520 w vom15.517.9 v vcc18.626.9 v 本科生课程设计（论文） 12 这里我取 lm7824,lm7924 这两个运算放大器，它们所输出的电压为24v， 其他指标也均达到要求。因此它们可作为前置放大电路与功率放大器的直流稳压 电源。 3.2.2 确定功率输出管的参数 输出功率管的参数选择。输出功率管 q6、q7 为同类型的 npn 型大功率管， 其承受的最大反向电压 ucemax2vcc,每管的最大集电极电流为 icmaxvcc/rl, 每管的最大集电极功耗为 pcmax0.2pom。再选择两管时除了要注意值尽量 对称外，其极限参数应满足下列关系： u(br)ceoucemax2vcc icmicmax pcmpcmax 所以，根据以上分析可得 u(br)ceo48 v icm3 a pcm34 w 这里我选择了两个 2n3904 的管子，它们的参数基本符合以上分析的数据。 3.2.3 复合管的参数选择 q4、q5 分别与 q6、q7 组成复合管，它们承受的最大电压均为 2vcc，在估算 q4、q5 的集电极最大电流和最大管耗时，可近似为 icmax(1.11.5)icmax/ pcmax(1.11.5)icmax/ 所以选择 vt4、vt5 管时，其极限参数应满足 u(br)ceo2vcc icmicmax pcmpcmax 所以，根据以上分析可得 u(br)ceo48 v icm0.330.45 a pcm0.330.6 w 这里 q5 我选择了 2n3904 的管子,q4 我选择了 2n3906 的管子，它们的参数基 本符合以上分析的数据。 3.2.4 前置放大电路部分 本科生课程设计（论文） 13 各级均采用固定增益加输出衰减组成,要求当各级输出不衰减,输入 mvu ppi 5 , 时，输出 vu ppo 53 . 2 , 。 对于第一级放大器,要求输入信号最强时,输出不失真,即在 mvu ppi 700 , 时,输出 vuom11 。所以 7 . 157 . 0/11/ 1 pom uua 取 15 1 a 。 当输入信号最小时,即 ppi u , =10mv 而输出不衰减时 ppo u , 1 =a1 ppi u , =1510=150 mv。 第二级放大要求输出 ppo u , 2 2.53v,考虑到元器件误差的影响,取 ppo u , 2 =3v,而 输入信号最小为 150 mv,则第二级放大器倍数为 ppo ua , 21 / ppo u , 1 =3/0.15=20 取 2 a =22。因此,取 r6=1k, r7=15k, r17=22k, r18=1k。 跟随电路具有输入电阻大，输出电阻小的特点，可以做多级放大器的中间级 即缓冲级。说得通俗一点，就是做阻抗变换，使前后级之间实现阻抗匹配。所以 两级放大电路前加了跟随电路实现阻抗匹配。 3.2.5 部分重要电阻的参数选择 电阻的选择很重要，太小会影响管子的稳定性，太大又会影响输出功率，r7 = r9=（510）riq4。 （riq4为 q4 管的等效输入电阻，其大小为 riq4=rbeq4+（1+q4） 。 ）由于 r14、r8 为平衡电阻，故 r14=r8=r7(r9)riq4。所以， 我将电阻的参数定为 r14=r8=22、r7=r9=220。 r10 与 c4 串联的消振网络的参数选择：r10 与 c4 的取值视扬声器的频率响 应而定，以效果最佳为好。我取 r10=10、c4=100f。 3.3 整体电路性能分析 此功放不仅能放大普通信号，还能放大一些极其微弱的信号。经过计算此功 放的输出功率为 10.5w17.7w，失真度约为 2.73，基本符合设计要求。本次 课程设计采用部分分立元件法进行电路设计，电路结构简单、思路易懂。ocl 功 率放大电路的方案采用甲乙类互补对称放大可以能够避免交越失真。 本科生课程设计（论文） 14 第 4 章设计总结 本设计通过方案对比，选出如下方案。 首先做一个简单的线性电源，将 220v 交流电降压后(采用三端输出的电压器)采 用桥式整流、再用简单的滤波电路滤波、三端集成稳压器稳压，最后再经滤波电 路滤波，选取 vcc/2 为地，由于输出功率比较大，将 vcc 定值为 30v，最后做成 一个电压稳定的正负 15v 电源。然后将信号经过差分式放大电路，进行信号放大， 最后采用甲乙类互补对称电路进一步放大电流，最后得到波形稳定的输出信号。 直流稳压电源部分：220 v 市电经变压器输出一组独立的 20 v 交流电，大电 容滤波得到30 v 直流电，再加一个 100nf 小电容滤除电源中的高频分量。考虑 到制作过程中电源空载时的电容放电可在输出电容并上 601 大功率电阻。另外 这组直流电还要传给 lm7824、lm7924 来获得24 v。万一输入端短路，大电容 放电会使稳压块由于反电流冲击而损坏，加两个二极管可使反相电流流向输入端 起到保护作用。 前置放大电路部分：本设计采用双运放 ne5532ai。实际制作中将它接成同相 放大形式，运放反相端串联 47 f 的电解电容，让交流信号全反馈，信号放大 倍数 1+rf/r0（r0=r2 和 r8）,其中rf为反馈电阻，在其上并联一个电阻抑制自激 震荡，r2，r8 为负反馈对地电阻。 功率放大部分： ocl 功率放大电路采用差动输入放大电路，抑制温度升高导 致的零点漂移。共用电阻 r4 也作为负反馈电阻，进一步减少工作点的零点漂移。 q3 和 q4 基级和集电极都并联一个 15pf 的小电容，这个是为了防止自激而损坏电 路而附加上去的。接入 r10、c4 组成容性负载，补偿由于感性负载产生的移相， 保护扬声器。此功放不仅能放大普通信号，还能放大一些极其微弱的信号。经过 计算此功放的输出功率为 10.517.7w，失真度约为 2.73，基本符合设计要求。 通过 multisim.10 仿真软件对电路仿真后，结果满足要求，完成了本次设计。 本科生课程设计（论文） 15 参考文献 1 康华光主编 电子技术基础（第五版） （模拟部分） 北京：高等教育出版 社，2006.1 2 高吉祥主编 电子技术基础实验与课程设计（第二版） 北京：电子工业出 版社，2005.2 3 实用电子技术手册编委会 实用电工电子技术手册 北京：机械工业出版 社，2003.8 4 全国大学生电子设计大赛组委会全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选 北京：北京理工大学出版社，2010.7 5 韩广兴主编 电子元器件与实用电路基础 电子工业出版社，2008.10 6 陈汝全主编 电子技术常用器件应用手册 北京：机械工业出版社， 2005.2 7 胡斌主编 放大器电路识图与故障分析 北京：人民邮电出版社，2003.9 8 张洪润主编 电子线路及应用 北京：清华大学出版社，2005.43 9 郑国川主编 电子管功放设计和装调