模电课程设计报告.doc

1 模拟电路课程设计 题目 OCL 功率放大器 学院 信息学院 专业 自动化 班级学号 学生姓名 指导教师 2 目录目录 一 课程设计任务及要求一 课程设计任务及要求 3 1 设计目的 3 2 设计指标 3 3 设计要求 4 4 制作要求 4 5 OCL 功率放大器各单元具体电路设计 4 6 完成整体电路设计及论证 5 7 编写设计报告 5 二 总体方案设计二 总体方案设计 5 1 设计思路 5 2 OCL 功放各级的作用和电路结构特征 7 三 单元电路的选择与设计三 单元电路的选择与设计 8 1 设计方案 8 2 确定工作电压 8 3 功率输出级的设计 9 方案设计电路图方案设计电路图 11 各单元电路设计 参数计算和元器件选择 12 四 总电路图及其工作原理四 总电路图及其工作原理 13 工作原理 15 五 功率放大五 功率放大器器元件参数计算元件参数计算 16 1 确定电源电压 16 2 功率输出级计算 17 3 推动级的计算 20 4 元件明细表 21 六 总结六 总结 21 参考文献 参考文献 23 3 一 课程设计任务及要求 1 设计目的 学习OCL功率放大器的设计方法 了解集成功率放大器内部电路工作原理 根据设计要求 完成对OCL功率放大器的设计 进一步 加强对模拟电子技术的了解 采用集成运放与晶体管原件设计OCL功率放大器 培养实践技能 提高分析和解决实际问题的能力 2 设计指标 频率响应 50Hz f 20KHz 额定输出功率 Po 8W 负载电阻 RL 8 非线性失真尽量小 输入信号 Ui 100mv 4 3 设计要求 1 进行方案论证及方案比较 2 分析电路的组成及工作原理 3 进行单元电路设计计算 4 画整机电路图 5 写出元件明细表 6 小结和讨论 7 写出对本设计的心得体会 分析设计要求 明确性能指标 查阅资料 设计方案 分析对比 4 制作要求 论证并确定合理的总体设计方案 绘制结构框图 5 OCL功率放大器各单元具体电路设计 总体方案分解成若干子系统或单元电路 逐个设计 计算电路元件参数 分析工作性能 5 6 完成整体电路设计及论证 7 编写设计报告 写出设计与制作的全过程 附上有关资料和图纸 有心得体会 二 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 RI一定时 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 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 6 的输出功率 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 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 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 为钏电路由于性能比较 好 所以广泛地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功放级的调试带来了极 大地方便 为了培养学生的设计能力 本课题主要采 用分立元件电路进行设计 7 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 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 在组装完毕后须进 8 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 以防损坏元器件 三 单元电路的选择与设计 1 设计方案 利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控 制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 应用这一点 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 9 2 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 P应比设计 om 指标大些 一般取 P 1 5 2 P 即本设计中 omo 电路的最大输出功率应按 6 8W 来考虑 由于是 P U OM L R2 1 2 OM 因此 最大输出电压为 U OMLOM RP2 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 V 1 2 1 5 U CCOM 3 功率输出级的设计 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U 2V 每个管的最大 maxCE CC 集电极电流为I V R14 R 每个管的最大 maxCM CCL 10 集电极功耗为P 0 2P maxCOM 复合管的选择 V1 V3 分别与 V2 V4 组成复合管 它们承受的最大 电压均为 2 V 考虑到 R7 R8 的分流作用和晶体管的 CC 损耗 在估算 V1 V3 的集电极最大电流和最大管耗时 可近似为 I I 1 1 1 5 maxCmaxC 2 max C I P P 1 1 1 5 maxCmaxC 2 max C P 电阻 R6 R11的估算 R7 R8用来减小复合管的穿透电流 其值太小会影响 复合管的稳定性 太 大又会影响输出功率 一般取 R7 R8 5 10 Ri2 Ri2为 V2管输入端的等效输入电阻 其大小为 Ri2 r 1 R10 大功率管的 r 约为 2be 10 欧 输出管 V2 V4的发射极电阻 R10 R11用于获得 电流负反馈作用 使电路工作更加稳定 一般取 R10 R11 0 05 0 1 R L 由于 V1 V3管的类型不同 接法也不一样 因此 11 两管的输入阻抗不一样 会使加到 V1 V3的基极输入 端的信号不对称 为此 加 R6 R9作为平衡电阻 使 两管的输入电阻相等 确定偏置电路 为了克服交越失真 二极管 V8 V9和 R7 R8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 V8 V9选择与复合管 V4 V5相同材料的硅二 极管 可获得较好的的温度补偿作用 方案设计电路图 12 集成运放放大器与晶体管组成的功率放大器 图一 各单元电路设计 参数计算和元器件选择 元器件清单 电阻 R1 4 7K R2 4 3K R3 47K R7 6 8K 13 R8 1K 电位器 R9 10 K R10 22 R11 220 R12 22 R13 220 R14 0 5 R16 8 电容 C1 C2 10 F C4 C5 220 F C6 C7 0 01 F 四 总电路图及其工作原理 14 15 工作原理 1 用差分放大输入级抑制零漂 如前所述 为了 使 R 在静态时没有直流电流通过 即 A 点的静态直流 L 电位为零 所以采用正 负对称的两个小电源 V V 但是温度的变化又会引起零漂 所以 CCCC 应采用差分放大器作为输入级 用它来抑制 A 点电位 因受温度等因素影响而产生的零漂 2 其他元器件的作用 V3管为激励级 它把 V1管 输出信号再进行一次放大后去推动功率输出级的功放 管工作 故该级又称为推动级 C5 是高频负反馈电容 防止 V3高频自激 3 R7 V8 V9为功放管提供静态偏置 防止交越 失真 把 V4 V5基极直流电信分开 并利用 V8 V9补 偿功放管的温度特性 以稳定功放管的基极偏流 4 R5 C3 R6组成电压串联负反馈电路 C3对低 频信号短路 分压比 R6 R5 R6 为反馈系数 R6越大 反馈量越大 反馈越强 分压比适当则既可减小信号 非线性失真 又不致造成放大器增益下降太多 16 5 R16 C6称中和电路 防止由于感性负载而引起 高频自激 6 R4 C2是差动放大器的电源滤波电路 7 C4称自举电容 用来提高功率输出级的增益 由图可知 当输入信号 U1为正半周时 经 V1 V2 和 V3次放大并反相 u 也为正半周 则 V4 V6复合管 3c 导通 信号放大后经 R14 R 地 V返回 V4 V6形 LCC 成回路 在负载 R 上有放大了的正半周电流 i1通过 L 其方向如图中的实线所示 同理可知负半周上的 i2通 过 如图中虚线所示 这样轮流推挽工作 在 R 上就 L 获得功率放大后的完整信号 五 功率放大器元件参数计算 1 确定电源电压 电源电压的高低决定着输出电压的大小 为了保证电路安全可靠地工作 通常是电路的最大 输出功率 Pom要比额定输出功率 P0大一些 一般取 Pom 1 5 到 2 P0 故 17 Pom 1 8 8 14 4 W 所以 最大输出电压 Uom应该根据 Pom来计算 即 Uom 2PomRL 2 14 4 8 15 2V 考虑到管子的饱和压降以及发射极限流电阻的压降 作用 电源电压 Vcc必须大于 Uom 数量关系为 Vcc 1 Uom 1 0 7 15 2 22V 式中 电源利用系数 一般取 0 6 到 0 8 在确定了各级电压增益和电源电压以后就可以进 行电路中各级的估算 通常需按照由后级向前级的顺 序进行设计 2 功率输出级计算 1 选择大功率管 准互补对称功放级四只管子中的 T4 T5是大功率管 要根据集体管的三个极限参数来选取 第一章管子承受的最大反向电压为 UCEM 2VCC 44V 第二章每管最大集电极电流为 Icm VCC RL 2 75A 第三章单管最大集电极功耗为 PCM 0 2POM 18 2 88W 然后就可以根据这些极限参数选取功率管 使选取 的功率管极限参数满足 BUCEO UCEM ICM Icm PCM Pcm 因此 选 T4 T5 管的型号分别为 3AD18A 和 3AD18C 注意 应选取两功放管参数尽量对称 值接近相等 2 选取互补管 计算 R19 R20 R21 确定 R19 R20 R21 由于功放管参数对称 它们的输入电阻为 Ri rbe 200 1 26mv Ic 200 5 要使互补管的输出电流大部分注入功放管的基极 通常取 R19 R21 5 10 Ri 6 200 5 1203 平衡电阻 R20可按 R19 10 120 3 选取 R18 R20 120 3 选取互补管 T2 T3 19 因为 T2 T3 分别于 T4 T5组成复合管 它们承受的 最大反向电压相同 均为 2Vcc 而集电极最大电流和 最大功耗科近似认为 Icm 1 1 1 5 Ic4 1 3 15 50 0 39 A Pcm 1 1 1 5 Pcm4 1 3 10 50 0 26 A 其中 Ic4 Pcm4 功放管 T4 T5 的集电极最大电流和 最大管耗 功放管的电流放大系数 选择互补管 使其极限参数满足 BUCEO UCEM ICM Icm PCM Pcm 因此 取 T2 T3管的型号分别为 3AD4 和 3AD5 3 计算偏执电阻 功放级互补管 T2 T3 的静态电流由 R16 二极管 和 R17支路提供 要使 R16 R17中流过的电流 IR16大于互 补管的基极电流 IBm 即 IR16 IBm Icm 一般取 IR16 1 2IBm 20 式中 IBm 分别为互补管的集电极最大电流和电流 放大系数 而 IR16 Vcc UBE2 UBE4 R16 Vcc 0 7 0 7 R16 所以 R16的阻值应为 Vcc 1 4 IR16 而 R17的阻值和 R16相等 故 取 IR16 1 2IBm 1 2 0 39 50 0 009A R16 Vcc 1 4 IR16 22 1 4 0 009 2 3k R17 R16 2 3 k 3 推动级的计算 推动级要有较大的电压放大倍数 前面已根据总电 阻的电压增益确定了推动级的放大倍数 Aum3 其大小由 闭环负反馈决定 Aum3 1 Rf R14 R14阻值不要过小 一般为 1 2k 左右 于是反馈电阻 Rf的大小也就确定了 故 Rf Aum3 1 R14 24 k 21 4 元件明细表 R16 2 3 k R17 2 3 k R18 120 3 R20 120 3 R19 1203 R21 1203 T2 3AD4 T3 3AD5 T4 3AD18A T5 3AD18C 六 总结 经历了这次课程设计 我对模拟电路这门课有了 更进一步的认识和了解 理论和实际操作都很困难 要将实际和理论联系起来需要不断的下功夫 它和课 本上的知识有很大联系 但又高于课本 一个看似很 简单的电路 要动手把它设计出来就比较困难了 因 为是设计要求我们在以后的学习中