OTL功率放大器

1 1 1 CDIOCDIO 设计目的设计目的 1 熟练掌握功率放大器的电路组成及其特性 2 保证安全 高效 小失真的情况下 输出所需功率 3 熟练掌握用 555 芯片设计信号发生器 掌握 555 芯片的电路组成 4 掌握方波 三角波 正弦波之间波形变换原理及电路组成 2 2 CDIOCDIO 设计正文设计正文 2 12 1 功率放大器功率放大器 2 1 12 1 1 乙类互补推挽功率放大电路乙类互补推挽功率放大电路 1 1 工作原理 工作原理 T1 与 T2 功率管互补配对 在一个周期内 T1 与 T2 轮流导通 通过 RL 的电流iL iE1 iE2 合成完整的正弦波 原理图如图 1 所示 静态分析 vi 0V vo 0V T1 T2 均不工作 动态分析 vi 0V T1 导通 T2 截止 io ic1 vi 0V T1 截止 T2 导通 io ic2 2 2 电路特点 电路特点 晶体管的静态电流等于零 电路的静态功耗为零 能量转换效率高 图 1 乙类互补推挽原理电路 2 存在交叉失真 3 3 性能分析 性能分析 乙类工作时 T1 与 T2 轮流导通 其图解分析如图 2 所示 正负电源总的直流功率 PD PD1 PD2 2VccIco 2VccIcm 充分激励 令 VCE sat 0 ICEO 0 则 Vcm VCC Icm VCC RL 则 乙类功放的最大集电极效率 激励不足 Vcm 减小 引入电源电压利用系数 表示 Vcm 的减小程度 定义 Vcm VCC 则 输出功率 2 maxoo PP L 2 CCcmcm omax 2 2R VIV P omax L 2 CC L 2 CCcmCC Dmax 4 2 422 P R V R VIV P 5 78 4 Cmax 图 2 互补推挽图解分析 3 直流电源提供功率 maxDo PP 4 集电极效率 4 o C D P P 功放性能随 变化的特性 小时 PD Po C 小 接近 1 时 PD Po C 大 结论 a PC 非单调变化 两头小 中间大 b PD 随 激励 线性增大 与甲类 不变 不同 其变化特性如图 3 所示 4 4 安全条件安全条件 安全工作条件 636 0 2 时最大 其值为 omax 2 omax 2 oDC2C1 2 12 4 2 1 2 PPPPPP 图 3 Po PD PC 随 变化的特性 BR CEOCCCEmax 2VVv CM L CC cmCmax I R V Ii omaxomax 2 max2Cmax1C 2 0 2 PPPP 4 PC1max PC2max 0 2Pomax PCM 取其中的小值检查二次击穿 5 5 设计要求设计要求 设计功率放大电路时 必须做到 在电路组成上 采用避免管外电路无谓消耗直流功率的结构 在工作特性上 输出负载 输入激励和静态工作点三者必须有一个最佳配置 合理 选择功率管的运用状态 2 1 22 1 2 仿真电路仿真电路 设计 OTL 功率放大器 该电路含推动级 输入信号取 100mv 频率取 3KHz 经一级放大 电路将输入电压放大后 再通过 OTL 功率放大器 为减小失真 功率放大电路中包含二极 管偏置电路 其仿真图如图 4 所示 2 1 32 1 3 仿真结果仿真结果 其仿真结果如图 5 所示 CMmaxo CM BR CEOCMCCmaxo 5 4 1 2 1 PP IVIVP 图 4 OTL 功率放大器 5 2 1 32 1 3 仿真结果仿真结果 仿真波形如图 5 所示 经电压放大和功率放大后 输出电压将近 8V 此时 Po Vcm 2RL 3 2W PD VccIcm VccVcm RL 7 6W c Po PD 42 1 分析可得 输出功率将近 3 2W 符合要求 但集电极效率没有达到最大 输出波形存 在失真 说明电路仍存在需要改进的地方 2 22 2 555555 信号发生器信号发生器 函数信号发生器的设计以 555 定时器组成的多谐振荡器为核心 主要思路是多谐振荡 器在接通电源后能自行产生矩形波 方波通过积分电路将转变为三角波 三角波再经低通 滤波网络转变为正弦波 2 2 12 2 1 555555 的电路组成的电路组成 555 定时器是一种多用途的数字 模拟混合集成电路 可以方便地构成单稳态触发器 施密特触发器和多谐振荡器 双极型产品型号最后数码为 555 CMOS 型产品型号最后数码 为 7555 其功能和外部引脚完全相同 其引脚分布图如图 6 所示 图 5 输出电压波形 6 555 内部电路结构如图 7 所示 其中 各部分组成如下 1 1 分压器 分压器 5 脚悬空时 UR1 2 3Ucc UR2 1 3Ucc 5 脚外接控制电压 UCO时 UR1 Uco UR2 1 2Uco 注 当 5 脚不加控制电压时 通常经过一个 0 01 F 的电容接地 以抑制干扰 2 2 电压比较器 电压比较器 U U 时 Ci 1 图 6 555 定时器的引脚示意图 图 7 555 内部电路结构 7 U U 时 Ci 0 3 3 基本 基本 RSRS 触发器触发器 R SQn 1 0 0 不定 0 10 1 01 1 1Qn 4 4 放电三极管 放电三极管 VT 是一个集电极开路的放电三极管 当 uO 0 时 VT 导通 当 uO 1 时 VT 截止 其功能表如表 2 所示 输入输出 阈值输入 u6 触发输入 u2 复位 RD 输出 VO 放电管 T 00 导通 2 3Vcc2 3Vcc 1 3Vcc10 导通 1 3Vcc1 不变不变 2 2 22 2 2 555555 构成多谐振荡器构成多谐振荡器 接通 VCC 后 VCC 经 R1 和 R2 对 C 充电 当 uc 上升到 2VCC 3 时 uo 0 T 导通 C 通 过 R2 和 T 放电 uc 下降 当 uc 下降到 VCC 3 时 uo 又由 0 变为 1 T 截止 VCC 又经 R1 和 R2 对 C 充电 如此重复上述过程 在输出端 uo 产生了连续的矩形脉冲 其电路组成及 其工作原理分别如图 8 图 9 所示 由此可分别求得 振荡周期 T 0 7 R1 2R2 C 振荡频率 占空比 表 1 基本 RS 触发器功能表 表 2 555 定时器功能表 CRRCRRT f 2121 2 43 1 27 0 11 CRR CRR T t q 21 21W1 27 0 7 0 0 0 21 21 50 2 RR RR 8 2 2 32 2 3 方波 三角波 正弦波之间波形变换方波 三角波 正弦波之间波形变换 555 构成的多谐振荡器 其通过不同支路对电容进行充放电 从而可以产生方波 再 由方波经过转换电路可以转换成三角波 正弦波 其整体框图如图 10 所示 由方波变换为 三角波可通过积分电路 如图 11 所示 通过低通滤波器即可变换为正弦波 原理图如图 12 所示 2 2 42 2 4 仿真电路仿真电路 由 555 芯片设计构成的多谐振荡器 其通过不同的支路分别对电容进行充放电 可以 图 10 波形转变框架图 图 11 积分电路 图 12 低通滤波 图 8 555 构成多谐振荡器图 9 多谐振荡器工作原理 多谐振荡器方波 积分电路 三角波 低通滤波 正弦波 9 生成方波 再分别经过积分电路及低通滤波器后可得三角波及正弦波 其实验仿真图如图 13 所示 2 2 52 2 5 仿真结果仿真结果 经仿真可得方波 三角波 正弦波分别如图 14 图 15 图 16 所示 图 13 555 构成的波形发生器仿真电路 图 14 由 555 信号发生器产生方波 10 图 15 由 555 信号发生器产生三角波 图 16 由 555 信号发生器产生正弦波 11 由仿真波形可得数据如表 3 所示 表 3 仿真结果 仿真波形周期峰峰值 矩形波130 979us2 500v 三角波130 979 us71 864mv 正弦波130 979 us1 135mv 所得数据符合设计要求 3 3 设计总结设计总结 自 CDIO 开设以来 一年的时间内 我们已完成基本放大器的设计 此次 我们又完成 了功率放大器的设计及由 555 芯片设计的信号发生器 通过仿真实践 我对电子线路有了 更深程度的理解 也对我们专业有了更深一步的认识 此次设计乙类功率放大器 困难重重 起初 不是波形失真 就是输出功率达不到要 求 经过各方面搜集资料 才终于完成了乙类功放的设计 但是集电极效率没有达到最高 仍有待提高 通过设计乙类功放 我对功率放大器有了更深一步的认识 也意识到学以致 用的重要性 尤其是我们现实生活中 我们身边各种电器 我们只会简单操作使用 却不 能理解它的原理 作为信息专业的一名学生 我深感惭愧 在数字电子技术中接触 555 定时器 此次利用 555 芯片设计信号发生器 起初 知识 与能力有限 只产生了方波 积分电路方面存在一定的障碍 通过在老师那里学习 我又 对积分电路及低通滤波方面进行了学习 对其有了更深程度的了解 也重新设计了电路 产生了三角波及正弦波 一年的专业基础课学习 我对我们专业也开始有了明确的方向 学习的过程中 需要 我们有严谨的求学态度 认真是我们不可或缺的品质 坚持是我们必备的素质 除了学习 书本上的知识 自学也是我们应该具有的能力 我们要充分利用课余时间 多了解与专业 学习有关的知识 也要更多的注重实践 把学习与实践结合起来 把学到的知识与生活中 的实例结合起来 这样才有助于我们更好的掌握所学的知识 大学 在不知不觉间已走过了两年 不就的将来 我们就要各奔前程 我相信 努力 了就一定有收获 获取知识的路上我们难免犯错 但只要我们不气馁 不放弃 成功一定 属于我们 作为信息专业的一名学子 求真务实是我坚守的原则 我会始终严格要求自己 更好的掌握知识 更多的运用于实践 努力地提升自己 在此 也感谢老师的辛勤教诲与同学的热心帮助 12 4 4 参考文献参考文献 1 谢嘉奎 电子线路 非线性部分 第四版 M 北京 高等教育出版社 2000