OTL功率放大器设计方案.doc

OTL功率放大器设计方案设计要求1.设音频信号为vi=10mV, 频率f1KHz;2.额定输出功率Po2W；3.负载阻抗RL=8；4.失真度3%；1、方案论证与对比1.1、总体方案设计1. 设计思路功率放大器的作用是给负载RL提供一定的输出功率，当RL一定时，希望输出功率尽可能大，输出信号的非线性失真可能小，且效率尽可能高。由于OTL电路采用直接耦合方式，为了保证电路工作稳定，必须采取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OTL功率放大器应由输入级、推动级和输出级等部分组成。2. OTL功放各级的作用和电路结构特征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）送来的信号作低失真，低噪声放大。为此，采用带恒流源的，由复合管组成的差动放大电路，且设置的静态偏置电流较小。2) 推动级的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，可采用带集电极有源负载的共射放大电路，其静态偏听 偏信置电流比输入级要大。3) 输出级的主要作用是级负载提供足够大的输出信号功率，可采有由复合管构成的甲乙灯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直流负反馈电路，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，在组装完毕后须进行静态和动态测试，在小型不失真的情况下，使输出功率最大。动态测试时，要注意消振和接好保险丝，以防损坏元器件。1.2方案一完全分立元件阻容耦合多级放大器设计 图11 方案一结构框图图12 方案一原理图 简要原理分析当输入信号处于正半周期时，VT3导通，VT2截止，于是VT3以射极输出的形式将信号传递给负载，同时向CO充电，因为CO电容量大，其上电压基本不变，维持在1/2VCC；当输入信号处于负半周时，VT2导通，VT3截止，已充电的C0充当VT2的电源，同时放电，VT2也以射极输出形式将信号传输给负载RL，这样在RL上得到了完整的输出波形。1.2 方案二采用集成运算放大器设计基本放大电路，用741进行放大，放大倍数为15倍，然后用386放大再放大200倍输入级中间极输出级输出调节LM386是高保真集成功率放大器短路保护过热保护负载扬声器 图13 方案二结构框图 图14 方案二原理图简要原理分析：根据实验要求,最后输出功率为大于2W，Po=Uo/RL,RL=8,又 Po2W，所以得Uo4V，而最大不失真电压为LM386输出的最大不失真电压Uom=Vcc/2,而我们设计的直流电压源输出电压为12v，所以Uom=12/2=4.24v，4.244，所以能达到要求。设计要求输入vi=10mV，也就是要求放大倍数大于400倍，但是LM386的最大放大倍数为200倍，远不能实现，所以在386之前要用741进行放大。1.3 两种方案的对比两方案的对比： 相同点：OTL功率放大电路都是由输入级、推动级和输出级等部分组成 不同点：方案一中采用分立元件进行设计 方案二中采用UA741和LM386进行设计我们选择方案二理由如下：用集成运算放大器放大信号的主要优点1) 电路设计简化，组装高度方便，只需适当选配外接元件，便可实现输入、输出的各种放大关系。2) 由于运放的开环增益都很高，用其构成的放大电路一般工作在深度负反馈的闭环状态，则性能稳定，非线性失真小。3) 运放的输入享受搞高，失调和漂移都很小，故很适合于各种微弱的信号放大。又因其具有很高的共模抑制比，对温度的变化、电源的波动以及其他外界干扰都有 很强的抑制能力。4) 由运放构成的放大单元功耗低、体积小、寿命长，使整机使用的元器件数大大减少，成本降低，工作可靠性大为提高。2、单元电路设计与参数计算 2.1.电源部分，由直流稳压电源供电。2.2功能部分图为方案二的图。根据实验要求,最后输出功率为大于2W，Po=Uo/RL,RL=8,又 Po2W，所以得Uo4V，而最大不失真电压为LM386输出的最大不失真电压Uom=Vcc/2,而我们设计的直流电压源输出电压为12v，所以Uom=12/2=4.24v，4.244，所以能达到要求。设计要求输入vi=10mV，也就是要求放大倍数大于400倍，但是LM386的最大放大倍数为200倍，远不能实现，所以在386之前要用741进行放大。在方案二中，输入为Ui=10mv.进过741之后放大倍数须大于2倍，则输出为Uo120mv。然后经过LM386放大200倍后输出电压为Uo4v,但是最大不失真电压为Uom=12/2=4.24v，所以总放大倍数最大为不大于424倍。3、安装与调试 根据理论，利用调试时间，在焊电路板之前，按照电路图在试验箱上连线做实验，成功后就进行了电路板的焊接。焊接后，进了实验室调试了多次，直流电源部分因为之前其完成测试，所以在课程设计的调试中对直流源的测试就相对少了用万用表测出电压分别为11.7V左右。对功能部分前几次调试，均不成功，输出的电压达不到设计要求，随后重新焊接了一块电路板，测试时测出741的U6Q=11.68V,而LM386的静态输出电压为5.89V，真实的最大不失真输出电压为3.76V.实践证明，新安装的电路板往往难以达到预期的效果，这是因为我们在设计的时候不可能周全地考虑元件的误差、器件参数的分散性、寄生参数等各种各样的客观因素。此外，电路板的安装中仍存在有可能没有查出来的错误。通过电路板整体测试与调整，可发现和纠正设计方案中的不足，并查出电路安装中的错误然后采取措施加以改进和纠正，就可以使之达到预定的技术要求。本次设计采用的是PCB制作电路板，步骤繁琐，流程较为复杂。所以在电路调整与测试的应注意的问题较多.通电前的检查电路安装完毕后，必须在不通电的情况下，对电路板进行认真细致的检查，以便纠正安装错误。检查应特别注意：（1） 元器件引脚之间有无短路。因为我们该组是第一次用PCB制作板，在检查电路引脚间的有无短路的时候出现了不少的问题。首先板子在腐蚀的时候就没有腐蚀好（这可能是板子的质量、腐蚀时间的长短、FeCL3溶液的配置等原因）所以在用万用表测量的时候真的是处处短路，而有的地方就是处处断路，为了保证的电路的正确性，只有通过万用表一条条的线路检查是否导通，引脚间是否短路。所以本次设计实物的走线用导线和焊锡补了不少，同时为了避免短路很多地方用小刀刮了不少了。（2） 电源的正负、负极性有没有接反，正、负极之间有没有短路现象，电源线、地线是否接触良好。关于电源正、负极问题主要是在本次设计中的单电源供电的导线插在功放电路的插座上，在此应特别注意在测试极性的时候，应注意红、黑表笔不要弄反。红表笔接正极，黑表笔接负极。该设计为了避免次问题在PCB制图的时候将地线稍微加宽。不但满足制图制板的要求，而且使其极性区分明显。4、性能测试与分析 4.1电路理论计算值静态：1. 741部分静态输出：U6Q=11.63v2.LM386静态输出U5Q=5.92v动态：1.输入电压为：Ui=10.13mv 2.741放大输出电压：Uo1=23.56mv 3.LM386输出最大不失真电压：Uo2=3.69v 4输出波形图如下：所以U0=21.9=3.8v理论值为静态 1.741部分静态输出：U6Q=Vcc=11.70v 2.LM386静态输出：U5Q=Vcc/2=5.85v动态LM386输出最大不失真电压：Uo2= Uom=Vcc/2=11.70/2=4.13v放大倍数Au应大于400倍。4.2误差分析误差计算：第一级放大倍数Au1=2.36第二级放大倍数Au2=156.6所以总的放大倍数为Au=Au1Au2=2.36156.6=369.576静态输出误差：W（u6q）=100=7 W(u5q) =100=7动态误差1. 放大倍数的误差：W=100=7.52. 最大不失真输出电压误差：W=100=10.56误差原因1.由仪器的老化及损坏造成的系统误差2.在动能部分中，芯片的性能达不到指标造成3.读数不准造成4在计算过程中的省略造成5焊接电路板时，出现问题造成5.结论与心得 1.在这次设计中，让我们确实遇到了很多难以解决的问题，同时也学到了很多知识。在过程中遇到的困难让我学会了如何更好更快的去解决实际问题，学会了查找资料。掌握了功率放大器的设计与制作，掌握了LM386，UA741等集成芯片的原理。如何去检查电路中的错误与线路是否导通，进一步熟练万用表的使用。更让我明白团体精神的重要性。更懂得做好一件事的不容易。接触到了与自己相关专业的具体的知识，感觉到所学的东西还是很有用的，通过实践不但巩固了学过的知识，而且其他的对所学知识进行实践论证，及时的发现了存在的许多不足。2在实验的初期我遇到了很多的困难，在焊接电路之前，由于仿真软件中无法找到LM386，使得无法仿真，最后经过大家的讨论和论证，最终确定了最终设计思路。第一次焊接好，去测试，发现信号没有放大，经过查找发现有个地方焊短路了，然后改进后还是不能达到预期的效果，最后决定重新焊接一个。焊接完后，去测试还是出问题了，反反复复检查，改进，弄的自己也很辛苦，很没信心，最后还是弄出来了。通过实验使我明白，在进行设计时，首先不要急于动手，要通过大量的理论计算和论证，论证合理后再进行实物焊接；再者在进行实物的焊接时要考虑到其它因素，防止自己的心血白费了。焊接好后去测试，发现不能达到预期的效果，一定要学会去查找问题出在哪里，不能心急，耐烦去一步一步检测。不能一看出不来，检测一两遍还是不能达到要求，就急于去重新焊接一个，这是不可取，不明智的做法。 然后我明白理论和实践存在很大的差距，掌握理论知识知识我们学习的一部分，我们应该通过更多的实践去丰富自己的能力，更好的掌握理论。6.参考文献 1、电工电子实践指导（第二版），王港元主编，江西科学技术出版社（2005）2、电子线路设计、实验、测试（第二版），谢自美主编，华中理工大学出版社（2000）3、电子技术课程设计指导，彭介华主编，高等教育出版社（2000）4、555集成电路实用大全，郝鸿安等主编，上海科学普及出版社5、用万用表检测电子元器件，杜龙林编，辽宁科学技术出版社（26、新颖实用电子设计与制作，杨振江等编，西安电子科大出版社（2000）。7、模拟电子技术基础第五版. 康华光主编.北京：高等教育出版社，20058、大学生电子设计网、9、中国电子元器件查询网站、/附录 A元件清单 元件序号型号主要参数数量备注R1定值电阻1K2R2定位器5K1R3定值电阻101C1耐压值50V0.1uf1C2耐压值50V10uf2C3耐压值50V0.047uf1C4耐压值50V220 uf3集成运放uA7411集成功率放大LM386电压增益为2646dB1扬声器DH8 5W1B原理图 C相关芯片结构图和资料LM386的特性LM386的外形和引脚的排列如上图所示。引脚2为反相输入端，3为同相输入端；引脚5为输出端；引脚6和4分别为电源和地；引脚1和8为电压增益设定端；使用时在引脚7和地之间接旁路电容，通常取10F。静态功耗低,约为4mA,可用于电池供电。 工作电压范围宽,4-12V or 5-18V。外围元件少。电压增益可调,20-200。低失真度。LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器,主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少,电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容,便可