模电课程设计报告--OCL功率放大器.docx

课程设计报告题 目：OCL功率放大器专 业：电子信息工程年 级：2010级学 号：1010612040学生姓名：梁友盛联系电话导老师：黄杰完成日期：2012 年6 月21 日贺州学院课程设计报告OCL功率放大器摘要为了更好的理解课本内容及提高个人动手能力，熟悉使用常见的电子器件和元件，特意布置了该课程设计。该设计主要是采用单晶体管去搭建OCL功率放大器。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，动态特性好几易于集成化等特点。OCL是Output Capacitor Less的缩写，意为无输出电容。采用双电源供电，在电压不高的情况下，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3。关键词：耦合 OCL 功率放大器 双电源 输出功率ABSTRACTIn order to better understanding of the content of the book and increase personal beginning ability, familiar with use common electronic components and devices, especially for the course layout design. This design is mainly by a single transistor to build OCL power amplifier. OCL power amplifier is a direct coupling power amplifier, it has a wide frequency response, high fidelity, the dynamic characteristics of the several easy integration etc. Characteristics. OCL is the abbreviation of Output Capacitor Less, meaning no Output capacitance. Adopt double power supply, in voltage is not high, can also get a big power output, tell the output terminal of the coupling capacitance, low frequency amplifier characteristics expanded. Keywords: coupling OCL power amplifier double power output power目 录摘要IABSTRACTII1 设计要求及方案选择11.1 设计要求11.2 方案选择12 理论分析与设计23 电路设计33.1 电源设计33.2 放大器设计34 系统测试74.1 测试所用的基本仪表仪器74.2 测试结果74.3 测试结果分析85 总结8参考文献8附录9附录A 原理图9附录B PCB图10附录C 元件清单表11附录D 实物图12III1 设计要求及方案选择1.1 设计要求(1)采用分立元件来搭建三级功率放大器，输出功率大于等于10W。(2)差分放大要有恒流源。(3)通频带：上限频率小于等于1.6kHz，下限频率大于等于40Hz。(4)独立完成。1.2 方案选择利用三极管的电流控制电压作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流。三极管的集电极电流永远是基极电流的倍，是三极管的交流放大倍数3，利用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的倍，然后将这个信号用隔直流电容隔离出来，就得到了电流（或电压）是原先的倍的大信号。这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流及电压放大，就完成了功率放大。由于OCL电路采用直接耦合方式，为了保证工作稳定，必须采用有效措施抑制零点漂移，为了获得足够大的输出功率驱动负载工作，故需要有足够高的电压放大倍数。因此，性能良好的OCL功率放大器应由输入级，推动级和输出机等部分组成。故此方案采用三级放大电路。设计思路如下：差分放大（带恒流源）偏置电路调音电路输入单管共射放大负反馈电路OCL电路输出图1-1 设计方框图2 理论分析与设计各级的工作原理及作用(1)输入级：主要作用是抑制零点漂移，保证电路工作稳定，同时对前级（音调控制级）送来的信号作用低失真，低噪声放大。为此，采用带恒流源的，由单管组成的差动放大电路，且设置的静态偏置电流较小。(2)推动级作用是获得足够高的电压放大倍数，以及为输出级提供足够大的驱动电流，为此，可采带集电极有源负载的共射放大电路，其静态偏置电流比输入级要大。(3)输出级的作用是给负载提供足够大的输出信号功率，可采用有复合管构成的甲乙类互补对称功放或准互补功放电路。此外，还应考虑为稳定静态工作点须设置交流负反馈电路，为稳定电压放大倍数和改善电路性能须设置交流负反馈电路，以及过流保护电路等。电路设计时各级应设置合适的静态工作点3，在组装完毕后须进行静态和动态测试，在波形不失真的情况下，使输出功率最大。动态测试时，要注意消振和接好保险丝4，以防损坏元器件。电路设计图如下：图2-1 电路设计图3 电路设计3.1 电源设计先设计一个放大器所需要的12V的直流稳压电源，如下图3-1所示。图3-1 放大器电源电路为了获得更大的输出电流，该电源电路不加入稳压部分，同时为了提高电源的稳定性，并联了多个大容量电容。而最后加入两个小瓷片电容是消除长直导线的电感作用，提高电源的抗干扰能力3。实际电路中，为了能够更好的观察到电路的工作情况，已经加入电源指示灯；对于防短路处理，已在变压器输出端加入保险管。3.2 放大器设计信号首先通过差分放大电路进行放大，如下图3-2。再通过复合管进一步放大，如下图3-3。最后通过RL输出。R0图3-2 差分放大电路差分放大电路在性能发那个面有许多有点，是模拟集成电路的又一重要组成部分。上图时用两个特性相同的三极管Q2、Q3所组成的单端输入单端输出的差分放大电路。图3-2中，由Q4、Q5和R4、R5同时组成镜像电流源3，因为横流源的内阻无穷大，故极易满足R0Re（发射结电阻）的条件，这样就可以认为R0支路相当于开路，输入信号电压近似地均分在两管的输入回路上，如图中体现了射极耦合的作用。RL图3-3 复合管互补放大电路双极性三极管（BJT）有两种类型：NPN型和PNP型。他们分别有三个极：发射极e、集电极c和基极b。当BJT用作放大器件时，无论是NPN型还是PNP型，都应将他们的发射结加争先偏置电压，集电结加反向偏置电压3。以NPN管为例，其工作原理是：(1)发射结向基区扩散载流子，形成发射极电流 IE。(2)载流子在基区扩散与复合，形成复合电流IBN。(3)集电区手机载流子，形象横集电极电流 IC。BJT共射极连接时的V-I特性曲线3(1)输入特性图3-4 输入特性曲线图图3-4是NPN型硅BJT共射极连接时的输入特性曲线。图中示出了VCE分别为0V,1V三种情况下的输入特性曲线。因为发射结正偏，所以BJT的输入特性曲线与半导体二极管的正向特性曲线相似，但随着VCE的增加，特性曲线向右移动。即当VBE一定时，随着VCE的增加，IB将减小。(2)输出特性3图3-5 BJT输入特性曲线图图3-5是NPN型硅BJT共射极连接时的输出特性曲线。图中BJT有三个工作区域：放大区、饱和区和截止区。(1)放大区：在截止区以上，介于饱和区与击穿区之间的区域为放大区3。在此区域内，特性曲线近似于一簇平行等距的水平线，IC的变化量与IB的变量基本保持线性关系，即IC=IB，且IC IB3。VBE对IC的影响由基区宽度调制效应产生，即VBE增加时，基区有效宽度减小，载流子在基区的复合机会减少，使电流放大系数略有增加，在保持IB不变的情况下，IC将随VBE的增大而略有增大。 在放大区，三极管的发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置状态。(2)饱和区：指绿色区域。在此区域内，对应不同IB值的输出特性曲线簇几乎重合在一起。也就是说，VBE较小时，IC虽然增加，但IC增加不大，即IB失去了对IC的控制能力。这种情况，称为三极管的饱和。饱和时，三极管的发射给和集电结都处于正向偏置状态。三极管集电极与发射极间的电压称为集一射饱和压降，用VCES表示。VCES很小，通常中小功率硅管VCES0.5V；三极管基极与发射极之间的电压称为基一射饱和压降，以VCES表示，硅管的VCES在0.8V左右。（3） 截止区：指IB=0的那条特性曲线以下的区域。在此区域里，三极管的发射结和集电结都处于反向偏置状态，三极管失去了放大作用，集电极只有微小的穿透电流ICEO。确定工作电压为了达到输出功率10W的设计要求，同时使电路安全可靠地工作，电路的最大输出功率POM应比设计指标大些，一般取POM（1.52）PO3。即本设计中电路的最大输出功率应按68W来考虑。由于是 POM=UOM2因此，最大输出电压为 UOM=考虑到输出功率管V2，V4的饱和压降和发射极电阻R10，R11的压降，电源电压常取 VCC=（1.21.5）UOM功率输出级的设计(1)输出功率管的选择输出功率管V4，V6为同类型的NPN型大功率管，其承受的最大反向电压UCEmax2VCC，每个管的最大集电极电流为ICMmaxVCC/R14+RL，每个管的最大集电极功耗为PCmax0.2POM。确定偏置电路为了克服交越失真，二极管D3、D4、R17、R14和Q8共同组成输出级的偏置电路，以使输出级工作于甲乙类状态。其中D3、D4和Q8组合，可获得较好的温度补偿作用，而R14及Q8又组成调零电路，稳定输出级的静态工作点。图3-6 输出级偏置电路4 系统测试4.1 测试所用的基本仪表仪器数字万用表、电烙铁、信号发生器、示波器4.2 测试结果接上电源后再接上示波器、信号发生器，当输入20mV的正弦波信号时，从示波器可观察到完整的正弦信号。改接音频输入及扬声器输出时，音乐响亮，无明显的失真，同时声音的大小可以调动。经测试，得到如下幅频特性表（以下数据均是在放大器的最大不失真情况下测出）表4-1 硬件的幅频特性表f/HzVPPi/mVVPPO/V15609.8438.4120459.3637.821k158.440.4100k150.840.0150k144.1438.8170k154.4439.6190k154.4439.6195k147.3139.2200k-（已失真）根据上表可知，该放大器的频带非常宽，已经完全包含了人耳能听到的声音频率范围（20Hz20000Hz），且信号的放大倍数比较大，基本上能满足日常生活的需要。其中，放大器的放大倍数(取1kHz下的参数) = VppoVppi = 40.4158.4x10-3 255频带宽度B = f H f L = 195k-15 195kHz4.3 测试结果分析首次测试时，输出的正弦信号发生饱和失真。当改为音频输入时，可以听出明显的失真声音，过了一段时间后，输出级对管严重发热，最后没有了输出信号。对于饱和失真，一般是交流负反馈电路出现问题。经过改变R16和R15的阻值，饱和失真消除。时间过久后对管严重发热，在没有散热设备情况下，这个是正常的。当输出级的对管发热严重时，会导致该电路的静态点漂掉，故没有信号输出。装上散热片后，故障消除，对管工作正常。5 总结课设的过程是艰辛的，但是收获是巨大的。首先，我们再一次的加深巩固了对已有的知识的理解及认识；其次，我们第一次将课本知识运用到了实际设计，使得所学知识在更深的层次上得到了加深。再次，因为这次课程设计的确在某些方面存有一定难度，这对我们来讲都是一种锻炼，培养了我们自学、查阅搜集资料的能力；再有，计算和调试操作过程中，我们曾经面临过失败、品味过茫然，但是最终我们还是坚持下来了，这就是我们意志、耐力和新年上的胜利，在今后的日子里，它必将成为我们的宝贵财富。参考文献1江思敏,姚鹏翼.PADS电路原理图和PCB设计M.机械工业出版社，2007.2夏路易,石宗义.电路原理图与电路板设计教程Protel99SEM.北京：北京希望电子出板社，2002.3童诗白,华成英.模拟电子技术基础M.北京：高等出版社，2006.4邱关源,罗先觉.电路M.北京：高等出版社，2006.附录附录A 原理图附录B PCB图(1) 放大器PCB图(2) 电源PCB图附录C 元件清单表470pC11TIP147Q111150pC21A1941Q1214.7uC31470R1147uC4, C7, C93330R215pC51680R3130pC6156R4, R52104C8151kR111270pC10,