ocl功率放大器.docx

物理与机电工程学院课程设计报告课程名称： 电子线路课程设计 系 部： 物理与机电工程学院 专业班级： 12级电子信息工程2班 学生姓名： 刘勤坚 指导教师： 温发林、傅智河 完成时间： 2014.10.13-2014.10.17 报告成绩： 评阅意见： 评阅教师 日期 目录概述.2一、设计目的及任务与要求. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 1.设计目的. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.设计任务.33.设计要求.3二总体方案设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.设计思路.42. OCL功放各级的作用和电路结构特征.4三单元电路的设计.4 1、输入级带恒流源式差分放大电路.42、推动级反向运算放大器（LM358AN.53、输出级甲乙类互补功率放大器.6四.总体电路图.7五、部分元器件参数的选择.7 1确定电源电压. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 2末级功率管的选取. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 3集电极最大电流. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8 4集电极功耗. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8六、电路图仿真调试及参数情况.91理论值功率计算10七、实际电路板调试.111实际电压增益计算.122实际功率计算12八、在实际调试中遇到的问题. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.波形情况. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.器件情况. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.解决办法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14九、器件清单. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15十、课程设计总结. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16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。对电压放大电路的主要的要求是使其输出端得到不失真的电压信号，讨论的主要指标是电压增益，输入和输出阻抗等，输出的功率并不一定大。而功率放大电路则不同，它主要要求获得一定的不失真（或失真较小）的输出功率，因此功率放大电路包含这一系列在电压放大电路中没有出现过的特殊问题。关键字：OCL 最大输出功率 电源电压 调试（1）要求输出功率尽可能大为了获得大的功率输出，要求功放管的电压和电流都有足够大的输出幅度，因此器件往往在接近极限运用状态下工作。效率更高(2)由于输出功率大，因此直流电源消耗的功率也大，这就存在一个效率问题。所谓效率就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功率的比值。这个比值越大，意味着效率越高。非线性失真小(3)功率放大电路是在大信号下工作，所以不可避免地会产生非线性失真，而且同一功放管输出功率越大，非线性失真往往越严重，这就使输出功率和非线性失真成为一对主要矛盾。但是，在不同场合下，对非线性失真的要求不同。(4)功率器件的散热问题:在功率放大电路中，为了输出较大的信号功率，器件承受的电压高。为了充分利用允许的管耗而使管子输出足够大的功率，放大器件的散热就成为一个重要问题了。(5)此外，在功率放大电路中，为了输出较大的信号功率，器件承受的电压要高，通过的电流要大，功率管损坏的可能性也就比较大，所以功率管的损坏与保护问题也不容忽视。(6)OCL功率放大器是一种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。采用两组电源供电，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功放电路也是定压式输出电路。一、设计目的及任务与要求1.设计目的（1）掌握模拟电路的一般设计方法，具备初步的电路设计能力。初步掌握电子电路的计算机辅助设计、仿真方法。 （2）学会借助各种信息资源（包括网络资源、书刊教材手册等）查阅所需资料。 （3）熟悉常用电子器件的类型和特性并学会合理选用。 （4）初步掌握普通电子电路的组装、调试等基本技能。 （5）提高综合运用所学的理论知识去独立分析和解决问题的能力。 （6）进一步熟悉电子仪器的正确使用方法。 （7）学会撰写课程设计总结报告。 （8）培养严谨、认真的科学态度和踏实细致的工作作风。（9）掌握OCL功率放大电路的原理以及设计成品2设计任务与要求OCL功率放大器（1） 输入信号为vi=10mV, 频率f200HZ10KHz;（2）额定输出功率Po2W； （3）负载阻抗RL=8；（4）电压增益20dB （5）功率放大电路部分使用分立元件设计。二、总体设计方案1、设计思路功率放大器的作用是给负载提一定的输出功率，当定时，希望输出功率尽可能大，输出信号的非线性失真尽可能小，且效率尽可能高。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，推动级和输出级部分组成。2.、OCL功放各级的作用和电路结构特征输入级：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，由复合管组成的差动放大电路，且设置的静态偏置电流较小。推动级的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。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。本次功率放大器的实训电路，我采用甲乙类 互补对称功放，将在以下做详细介绍其电路图及工作原理。三、单元电路的设计1.输入级带恒流源式差分放大电路 由于单电源差分放大电路放大交流信号时只能放大上半周的信号，波形严重失真，因此我采用具有双电源供电的单输入、单输出式恒流源差分放大电路，次双电源供电能够很好地放大完整的交流信号，且具有更高的放大效率。其电路图如下所示：工作原理：差分放大电路中增大发射级电阻能有效抑制每一边的电路温漂，而恒流源差分方放大电路利用工作点稳定来取代Re，恒流部分由图中R9 ,D2 与Q2组成,而稳压管正端接负电源 。图中电路的输入端加入滤波电容，且在恒流源方面进行了改进，将电阻改成稳压二极管，利用稳压二极管的稳压特性，其稳压为12v，进而达到输出恒定电流的目的。（电路图中各电子器件的参数不是最终参数还需进一步准确计算），上图差分放大电路为单输入单输出式。关于恒流源差分放大电路的器件参数计算如下：静态电流：Ie=Ie1+Ie2(Ie1 和Ie2为静态电流)由恒流源部分可知IcQIeQ=(Uz-Ube)/R=(12-0.7)V/5k2.26mA2.推动级反向运算放大器（LM358AN）由于推动级的主要作用是提供电压放大倍数以及为输出级提供足够大的驱动电流，我采用方向运算放大器作为推动级。电路图如下：工作原理：前级恒流差分放大电路输入电压经R9作用于LM358AN运放的同向输入端，故输出电压Uo与输入电压Ui同相。反相输入端经补偿电阻R1接到负电源。以保证输入及差分放大电路的对称性，且R9应于R1值相等，以保证前级差分放大电路的对称性。本次ocl设计要求电压增益20dB，即是电压放大倍数大于10以上即可，为考虑实际调试中带来的各种误差（如仪器，温度，电压和电流取值等因素），Rf取值为3.3k，运放输入级电阻均去10欧，根据反向运算放大器的计算公式：Uo=(1+Rf/R)Ui3.输出级甲乙类互补功率放大器1、工作原理：此种输出级放大电路能够消除 输出信号时产生的交越失真，但应设置合适的静态工作点，使两只管均工作在临街状态或微导通状态。在左图中，静态时，从+Vcc经过电阻R1、R3、D1、D2、R4到-Vcc有一个直流电流，它在Q1、Q2管两个基极之间所产生的电压为：UB1B2=UR2+UD1+UD2使UB1B2略大于T1管及T2管发射极的开启电压之和，从而使两只三极管均处于微导通状态，即都有一个微小的基极电流，分别为IB1和IB2。可使发射极静态电压位UE为0V，即输出电压U0为0V。下面具体介绍消除交越失真的原理： 当所加信号按正弦规律变化时，由于二极管D1、D2的动态电阻很小，而且R3的阻值也很小，因为可认为Q1管基极电位变化与Q2管基极电位的变化近似值相等，也就是说可以认为两管之间电位差是一恒定值，两个基极的点位随Ui产生相同的变化。这样，当Ui0v且逐渐增大时，UBE1增大，T1管基极电流IB1随之增大，发射极电流iE也必然增大，负载电阻RL上得到正方向电流；与此同时，ui得增大使得UBE2减小，当减小到一定数值时，T2管截止。同样道理，当U小于0时，使UB2逐渐增大时，T 2管的基极电流i B2随之增大。发射极电流i E2也必然增大，负载R L得到负方向电流。与此同时，U i减小，使U BE减小，当减小到一定数值时，T 1管截止。即使U i很小，总能保证至少有一只二极管导通，这样便完成了交越失真的消除。值得注意的是，若静态工作点失调(例如元件虚焊)四、此次OCL功率放大器课程设计总体电路图如下所示：输入级：恒流源差分放大电路推动级：LM358构成的反向运算放大器输出级：甲乙类ocl互补功率放大器正负双电源12v五.部分元器件参数的选择1.确定电源电压电源电压的高低，决定着输出电压的大小，而输出电压又由输出功率决定，所以指标给定了输出功率，即可求出电源电压。课程要求输出功率=2w；考虑到器件工作的安全性和输出功率的富余量，设计要做适当调整。假定：输出功率为P0=4wPOM=(1.52)P0=68W取P=6W则，由 P0=(Vcc-UCES)2/(2*RL)Vcc10vVcc=(1.21.5)UOM(考虑到饱和压降23v)所以本课程设计取正负双12v电源电压。（由于功率=2w即可，所以电源电压可取小一点，如10v左右）2.末级功率管的选取1.最大管压降从OCL电路工作原理分析可知，两只功放管中处于截止状态的管子将承受较大的关押安静。设输入电压为正半周，Q1导通，Q2截止，当Ui从零住进增大到峰值时，Q1和Q2管的发射极UE从零增大到（Vcc-Uce1），因此，Q2关押江Uces2的数值Uce2=uE-（-Vcc=Ue+Vcc）将从Vcc增大到最大值Ucesmax=（Vcc-Uces1）+Vcc=2Vcc-Uces1利用同样的分析方法可得：当ui为负峰值时，Q1管承受最大电压，数值为：2Vcc-(-Uce2)所以，考虑留有一定余量，管子承受的最大管压降为Ucesmax=2Vcc3、集电极最大电流 从电路的足底啊输出功率可知，晶体管的发射极电流的等于负载电流，负载电阻上的最大电压为Vcc-Uce1，故集电极最大电流的最大值：IcmaxIemax=（Vcc-Uce1）/RL4、集电极最大功耗在功率放大电路中，电源提供的功率转化为输出功率和晶体管集电极上的功率，即Pc=Pv-Po。当输入电压为零，即输出功率很小，使管子的损耗很小：当输入的电压最大，即输出的功率最大，由于管压降很小，管子的损耗也很小，可见管耗最大既不会发生在电压输入为最大值时，也不会发生在电压输入为最小时，下面列出晶体管集电极功耗Pc与输出电压峰值Uom的关系式，然后对Uom求导，令倒导数为零，得出的结果就是Pc最大的条件。管压降和集电极电流瞬时值的表达式分别为Uce=（Vcc-Uomsin （wt），ic=（Uom/RL）*sin（wt）功耗Pc为功放管所损耗的平均功率，所以每只晶体管的集电极功耗表达式为Pc=1/2*pi（Vcc-Uom*sin（wt）*（Uom/RL）*sin（wt）d（wt）=1/RL（Vcc*Uom/pi-（Uom2/4）令d（Pc）/d（Uom）=0，可求得，Uom=（2/pi）*Vcc0.6Vcc以上分析表明，当Uom0.6Vcc时，Pc=Pcmax。将Uom代入Pc的表达式，就可得出：Pcmax=（Vcc）2）/pi*pi*RL当Uces=0时，根据Pom=（U2）/R可得：Pcmax=2/(pi)2*Pom0.2Pom功放管选取指标：PCM,ICM,V(CE)MAX基于以上（电源电压）计算结果，取电源电压12v，P为6w初始条件则： PCM0.2POMUces=0ICM=Vcc/RL=1.5AUCESMAX2Vcc=24v以上结果给予极限工作条件保障即安全性考虑均放大（35倍）所以： PCM=(1.83)WICM=(4.57.5)AUCESMAX=40V(管耐压值可限制小一点) 经查阅资料 2N3904符合要求；以下是2N3904资料如下：考虑到三极管工作时间过长会引起发热，甚至烧坏，调试时取工作电流200MA以内。2N3906的参数如下：所以本次OCL课程设计采用NPN-2N3904与 PNP-2N3906六、电路图仿真调试及参数情况经调试的两组电路仿真如下：调试说明：由以上两组仿真数据可看出：电压放大倍数分别为Av=94.6和111.3这是由于推动级运放电路中Rf的取值影响着放大倍数。Rf越大，放大倍数越高。1理论上额定功率：上述功率表中显示的功率值为电源提供的功率，经查阅资料OCL的转换效率最大为70%所以有：14*70%=9.8w（此功率即为OCL输出功率）根据仿真电路的情况（理想情况），本次课程设计各参数都符合要求。七、实际电路板调试电路板的制作流程简述：PCB腐蚀PCB热转印形成PCB原理图 调试焊接打孔 经此过程得到的实物图如右图所示：实际调试的图形如上图所示：上述两幅实物调试是调试时随机选取的，图中参数略有变化，但放大倍数基本达到90到100倍对比仿真图与实物调试图可总结出；理论上本次课程设计成果基本达标。下面是各所得数值的具体计算：实际调试中，若按理论值12v输入，则很难调出波形，；另外，考虑到三极管发烫等因素，调试时取电源电压Vcc=10v输入，输入电流取200MA，得到如下参数：1.功率计算：经查阅资料OCL输出级晶体管饱和管压降为23v，估算取饱和管压降Uces=3v。则根据经计算：根据最大输出功率PMAX=（Vcc-Uces）2/2*RL 可计算出Pmax3w对于OCL功率放大器而言，由相关资料的查阅得到其最大转换效率为70%，所以额定功率：P=Pmax/70%=3/70%4.28w=2W于是经计算上面两组数据的额定功率均符合要求。2.电压增益：由公式 dB=20*lg(Uo/Ui)可计算出上述两组数据的增益：第一组等于40db第二组等于40.42db均合符要求（课程要求为大于20db即可）整理以上数据绘制成表格如下：经实物调试所得数据以及就算结果：参数要求第一组第二组负载阻抗（欧）RL=8欧RL=8欧RL=8欧输入信号Ui（mv）10mv10mv14mv信号频率（KHZ）200HZ10KHZ700HZ1KHZ额定功率（w）P0=2W4.28w4.28w电压放大倍数Av=10109105电压增益（dB）=20dB40db40.42db输出电压Uo1.09v1.47v八、在实际调试中遇到的问题：有如下情况：1.波形失真情况：如图所示为波形顶部失真，其原因可能是：（1）调试时电源电压选取过小。（2）实际调试时接线存在接触不良问题。（3）由于电路板在制作的过程中存在某些 管脚虚焊也可能导致接触不良。 （4）差分放大电路中未能完好调零，而导致调试时存在电路的零点漂移。2.器件情况主要是三极管在调试中发烫甚至烧坏，其原因有以下两点：（1）调试时从电压源引出的电流超过三极管可承受的最大电流。（2）调试时间过长，导致三极管发热，甚至烧坏。（3）在电路板制作完成过程中，因长时间为工作，或放在潮湿的地方均影响器件的工作性能如358运放的工作性能。滑动变阻器金属部分是否存在生锈等。（4）在调试过程中，三极管曾烧坏两个，因为其输入电流调过大。综合以上所述，调试的过程不是那么顺利的，要考虑各种可能存在的因素。调试失败的结果也可能是无输出波形、无放大作用。解决办法：（1）确认电路板焊接管脚部分有无虚焊。原因：倘若有虚焊情况，则可能引起某器件短路或短路，最终导致器件烧坏，如三极管的保护电阻一旦虚焊，则电压电压加在三极管集电极端的电压大于三极管的耐压值，会导致三极管烧毁。（2）再调试之前确保所用电源仪器是否完好、确保输入电流是否在晶体管反向饱和电流范围内，同时检查输入、输出、及正负双电源接线有无错误、晶体管是否接反等。原因：仪器的好坏及各器件、线路的正确接法直接影响调试的结果，例如Vcc的正确引入直接影响OCL输出功率、LM358运算放大器影响放大倍数。（3）在调试时，可反复调节差分放大电路的滑动变阻器以确保电路是否完全抑制零点漂移，还可调节电源电压Vcc。原因：由总电路图可知滑动变阻器的调节有助于更好的抑制零点漂移，Vcc的改变是为了让电路得到一个更合适的工作电压以达到调试效果。让电路有一个最合适的工作电压。本次课程设计用到的器件如下列表：1CommentFootprintLibRefQuantityValue2Cap Pol1RB7.6-15Cap Pol121uf3Diode 1N4001DIO10.46-5.3x2.8Diode 1N400124+12DIODE-0.7D Zener15Header 2HDR1X2Header 226Header 4HDR1X4Header 4172N3904BCY-W3/E42N3904482N3906BCY-W3/E42N390619Res2AXIAL-0.4Res2131K, 3.3k, 5K, 8, 10, 10K, 20K10Res TapVR3Res Tap150011LM358ANDIP8LM358AN1八、课程设计总结 本次课程设计（考核标准：输出额定功率=2w，负载8欧，电压增益大于20db），从最初查阅资料到最后电路板调试成功，经历了一个艰辛的过程。为了更加了解及掌握OCL功率放大器的工作原理，我必须查阅相关资料，图书馆找参考文献、上网查找，以及multisim上进行数多次仿真失败后才换来课程设计的成功。在查阅资料过程中你必须明确哪些资料是对你有用的，哪些资料是没用的，又或者在各种资料之间确认哪些资料更有助于OCL功放的实现及效率的提高和板的安全性等。例如，对于OCL功率放大器的输入级而言，又简单的差分放大电路抑制零点温漂，又有在其基础上改进型的带恒流源式的差分放大电路，当然，本次电路图采用的是带恒流源式差分放大电路，它既能抑制温漂又能很好的稳定从输入端引出的电流。对于推动级的放大电路而言，有用分立元件共射放大电路形成