晶体管课程设计-二极管稳定工作点的OTL功放电路的设计.docx

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 电 子 0801 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目：二极管稳定工作点的OTL功放电路的设计初始条件：晶体管器件课程设计是电子科学与技术专业学科实践性课程，其任务是使学生运用模拟电路等电路课程中所学的知识，利用晶体管等器件，设计出一些完成一定功能的电路，并对电路进行分析和调试。要求完成的主要任务： 1.采用晶体管应用电路完成一个小型功率放大器的设计；负载为电阻RL8的扬声器时，输出功率不小于0.5W，无明显失真。2.利用ORCAD软件设计出电路图，并对所设计的电路进行模拟与仿真分析。3. 利用PROTEL软件绘制该电路的PCB印制电路板图。要求图纸绘制清晰、布线合理、符合绘图规范。时间安排：12011年6月10日分班集中，布置课程设计任务、选题；讲解课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求；课设答疑事项。22011年6月11日 至2010年6月10日完成资料查阅、设计、制作与调试；完成课程设计报告撰写。3. 2011年6月25日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日精品文档目录摘要IAbstractII1绪论12设计内容及要求22.1设计目的22.2设计任务23 功放电路原理33.1 功放的原理框架图33.2电压放大电路33.3 电流放大电路43.4 整体电路原理图74电路仿真85 PCB制作1051 功放电路原理图的绘制105.2功放 PCB的绘制106 组装与调试137 心得体会14参考资料15附录I元件清单16摘要 本次设计，以晶体管为主要元件，旨在设计出一个小型的功率放大器。其基本要求是要在8的扬声器负载下，输出至少0.5W的功率。功率放大器的设计思路，一般是先对输入信号进行电压放大，这就一般要用到共射极电路；然后再利用射极跟随器进行电流放大，以确保输出信号有足够的功率，这样的功放用于音频方能有足够大的声音。共射极电路不但有电压增益，也有电流增益；而射极跟随器只进行电流放大，无电压增益。设计时制用ORCAD绘图软件，并作模拟仿真。然后，以PROTEL为工具，绘制电路原理图的PCB板。设计仿真完成后，再进行硬件的组装与调试。关键词：晶体管；功率放大器；ORCAD；PROTEL。AbstractThis design, with transistors as the main component, is aimed to design a small power amplifier. The basic requirement is to output power of 0.5W at least on a 8 speaker load. According to the usual power amplifier design ideas, the first step is to do voltage amplification, which generally uses the Grounded-Emitter circuit; and then we plan to use emitter follower for current amplification, so as to ensure the output signal has sufficient power, which can provide enough power for the audio sound.Grounded-Emitter circuit provides not only the voltage gain, but also the current gain; the emitter follower is only for current amplification, no voltage gain.In this design, we use ORCAD as the mapping software, and for simulation first of all, then, we will draw the PCB board of the circuit diagram with PROTEL. After the simulation is complete, the assembly and debugging of hardware would be carried on.KEY WORDS: Transistors；A power amplifier；ORCAD；PROTEL.1绪论晶体管的问世，无疑是20世纪的一项重大发明，是微电子革命的先声。晶体管出现后，人们就能用一个小巧的、功耗低的电子器件，来代替体积大、功消大的电子管。晶体管的发明又为后来集成电路的降生吹响了号角。应用的需要总是推动着技术的进步，随着计算机的普及，人类已开始进入信息化社会，而且各领域几乎都是由电子技术支撑的。计算机的关键技术是数字电路技术，而传感器和执行器等硬件的前端部分使用的则是高精度的模拟电路技术。数字电路只需按照理论就可以大体上完成设计，但模拟电路的设计则不行，必须掌握靠经验积累起来的众多的专门技能。为了正确地设计一个性能优良的高频模拟电路和超低频电路，必须熟悉在电路图中不能表示出来的电子元件的配置技术和各种电路元器件的特性。数字电路主要利用晶体管的饱和工作特性和截止工作特性，而模拟电路主要利用晶体管的放大特性。现在集成电路技术的发展日新月异，无论是模拟电路，还是数字电路，都能集成化。这样，要在电路中找到单个的晶体管元件是很困难的。然而，掌握了晶体管的有关知识及其使用场合，对运算放大器的认识就会大不一样。如此一来，即使在使用运算放大器时出了不符要求的特性，也能采取对应的举措。有了对基本器件的认识，才能深刻地理解器件的工作原理，不但能够处理相应问题，即便是设计电路时也会显得更加得心应手。 功率放大电路通常作为多级放大电路的输出级。在很多电子设备中，要求放大电路的输出级能够带动某种负载，例如驱动仪表，使指针偏转；驱动扬声器，使之发声；或驱动自动控制系统中的执行机构等。总之，要求放大电路有足够大的输出功率。这样的放大电路统称为功率放大电路。2设计内容及要求2.1设计目的（1）自拟一个电子线路的课题，用分立元件（三极管或场效应管）来实现。（2）掌握ORCAD操作和使用方法，利用ORCAD软件设计出电路图，并对所设计电路工作原理进行分析。也可以利用其它电路模拟仿真软件，如Multisim。（3）利用ORCAD软件对所设计的电路进行模拟与仿真分析。根据分析与模拟结果修改和优化并确定电路结构 （4）利用PROTEL软件绘制该电路的PCB印制电路板图。 （5）将自己设计的电路制作出实物。2.2设计任务（1）以晶体管为主要器件设计一个小型音频功率放大器；（2）电压增益10倍（20dB）,频率特性 20Hz20kHz；（3）扬声器负载8，输出功率0.5W以上；（4）用ORCAD进行仿真分析，PROTEL画出PCB板；（5）做出实物，完成课程设计报告。3 功放电路原理3.1 功放的原理框架图如图3.1所示，在功率放大电路中，首先将输入的信号进行电压放大得到幅值相对较大的信号作为下一级放大器的输入；再经过能够驱动低阻抗负载的电流缓冲放大器。这是功率放大器设计的一般性思维。 图3.1 功放原理框图制作电压放大级，通常可用共射极这类有电压增益的电路实现。因为主要作电压放大，其电流较小，可以不考虑散热问题，电压的放大程度主要取决于放大管的负载阻抗，一般都很大。而在进行电流放大时，由于电流较大将导致晶体管发热，若不及时处理将可能使晶体管发生热击穿，且温度升高将使晶体管工作不稳定，影响到功放的正常工作。3.2电压放大电路本次设计采用共射极作为电压放大电路之构成，如图3.2所示。图中，在射极接了C4作旁路电容。其结果是降低此处的交流阻抗，以达到直流增益不变，提高交流增益的目的。其交流增益为：从上式可以看出三极管发射机电阻越小，集电极的交流信号放大倍数越大，图中做直流偏置的电阻为电阻R4和R5两电阻之和，而在交流通路中，由于电容C3的交流短路作用，发射极电阻仅为电阻R5。可知由于电容C4的作用增大了放大管的放大作用。 图3.2 共射极放大器3.3 电流放大电路本设计采取射极跟随器1作电流放大电路，如图3.3 图3.3 射极推挽电路在上图中，若忽略三极管的发射极导通压降，可知，当输入信号处于上半周期时，三极管Q4导通，而三极管Q3截止，此时输入信号经过Q4放大输出。当输入信号处于下半周期中，三极管Q3导通，三极管Q4截止，输入信号经过Q3放大输出。这里输出的信号主要是电流信号，因为此放大电路为射极跟随器，不具有电压放大作用。输入信号轮流由两个三极管推挽输出，提高了电源的利用率，增加了输出功率。但是，由于三极管的发射极的管压降是不可忽略的，上述电路的输出会产生严重的交越失真。可以通过一定的直流偏置是两个三极管处于微导通状态。有如下两种方法解决。通过二极管提供偏置来时来时互补三极管处于微导通状态，如图3.4 图3.4 二极管稳压推挽电路如上图可以看出两只二极管的压降差不多达到1.4伏，基本满足三极管微导通的条件，但由于电阻R11和R12的影响，还是会有一定的交越是真。当负载取出较大的电流时，集电极的电流过大将导致晶体管升温。由于VBE的负温度系数的存在，使得VBE随着温度升高而减小，而二极管的压降一定，认为不变，使得基、射极之间的电压高于VBE，这样迫使基极电流增大，从而集电极电流进一步增大，如是循环，其结果是温度不断攀升，最终三极管将会被热击穿。另一种方法是通过三极管电路来使推挽管处于微导通状态，也就是所谓的VBE扩大电路。如图3.5所示VBE扩大电路5。 图3.5 VBE扩大电路在两三极管射极间加两个电阻，以分担一定的电压，而且，由于这样不能彻底解决温度升高带来的电压攀升问题，故而二极管部分也考虑改造。Q3、Q4基极之间的电压V34满足：这里要求Q3、Q4、Q5进行热耦合，即使它们靠近，温度同步，则VBE也同步变化，若取VBE3=VBE4=VBE5，则R9=R10时，V34=2VBE3=2VBE4，刚好使两管同时导通且不会因温度的上升而偏置电压也上升。这就保证了温度不会进一步恶性循环地攀升，一定程度上保证了三极管的安全。在实际应用中，不会有VBE3=VBE4=VBE5，故而，可以考虑将R10做成电位器。这样，调节R10就可以控制Q3、Q4基极之间的电压差,使推挽管处于微导通状态。3.4 整体电路原理图到此，可以得出本次设计的晶体管小型功率放大器的设计图了，如图3.6所示： 图3.6 功放原理总电路图 电路中输入信号经过两级共射极放大管，电压幅值得到很大的放大，再经过复合管的推挽输出，得到较大的输出电流，进而去驱动负载扬声器发声。4电路仿真 本次设计采用ORCAD3电路设计仿真软件。ORCAD是由ORCAD公司于八十年代末推出的EDA软件，它是世界上使用最广的EDA软件，每天都有上百万的电子工程师在使用它，相对于其它EDA软件而言，它的功能也是最强大的。ORCAD集成了电原理图绘制，印制电路板设计、模拟数字混合仿真等功能，它的电路仿真的元器件库更达到了8500个，收入了几乎所有的通用型电子元器件模块。 由于一般音频播放器的输出信号幅值大约为50毫伏，故在仿真时取输入信号的幅值微50毫伏。点击仿真按钮，可得到功放总电路图的静态电压工作点如图4.1所示，静态电流工作点如图4.2所示 图4.1 功放电路静态电压工作点 图4.2 功放电路静态电流工作点 在Pspice5仿真选项中设置适当的采样周期，将探针放置到相应的位置可得到该点相应的输出波形。如图4.3 、图4.4、图4.5所示分别为一级放大输出、二级放大输出、功放最终输出波形 图4.3 一级放大输出波形图4.4 二级放大输出波形图4.5 功放输出波形5 PCB制作51 功放电路原理图的绘制 进入PROTEL5软件设计环境中，建立PCB制作工程，然后向工程里添加原理图文件和PCB文件。从元件库中找到设计所需要的元件，依次拖入到原理图上，然后用导线将元件连接起来。在逐一检查每一个元件的封装是否正确，若不对，则找到相应的正确的封装并加载。若找不到，则要考虑自己制作相应的封装。绘制的原理图如图5.1所示。 图5.1 功放电路图5.2功放 PCB的绘制 编译以上原理图文件，若没有错误，就可以将元器件加载到PCB文件编辑器中。若报错，则根据错误提示找出相应的错误并更改，直至没有错误。然后对加载到PCB编辑器中的每个器件进行一定的位置排列。再进行自动布线。然后根据自动布线的结果，考虑如何排放每个器件，再次布线，使计算机自动布线的结果具有一定的美感，更为重要的是不能影响电路板的性能。当然，也可以适当的进行手工布线，以弥补自动布线的不足，做出更好的电路板子。手工布线比较适合于器件比较少的电路。 如图5.2所示，电路中的各个元件经过排列、调整、布线后得到的PCB样板图。 图5.2 布线后的PCB 如图5.3所示，自动布线后有经过手工调整的PCB版图表面覆铜后的底层版图。图5.3 顶层覆铜后的PCB 如图5.4所示为底层经过覆铜后的PCB效果图，可知，PCB的制作过程是在表面覆满铜的绝缘板上，经过特殊化学腐蚀液的腐蚀作用腐蚀掉一定的铜箔，留下相应的信号传输线。图5.4 底层覆铜的PCB6 组装与调试对三极管的类型的识别，用数字万用表的红表笔置于中间一脚，黑色表笔测另两脚，若然均得较小电阻，则是为NPN型；反之，若以黑表笔测中间引脚，红表笔测其余两脚可得较小阻值，则为PNP型三极管。另外，三极管的管脚，并非千篇一律的e、b、c规律。如的b脚就在边上（测试所得）。若一只表笔固定一脚，另一表笔测其余两脚皆可得较小阻值，则固定的那个脚是为b，而两个小阻值中相对更小的对应那个端为e端。另外由于三极管的型号不易购得，一般是代替，故而组装效果不太理想。将元件按照电路图在板子上放好，然后进行连接。连接完毕，用万用表的欧姆挡检查管脚与管脚之间是否连接良好，若连接良好，则电阻示数应约为0。经过测试，发现所买的二极管的导通压降只有0.5伏，而用于射极跟随器的三极管的发射极导通压降却有0.7伏，会有较大的交越失真，估计这也是我最终做出功放声音又写嘈杂的原因。我设计的功放所需用到的电源为12伏，但是，当我接上12伏电源后，大功率三极管严重发热。而我把电压调节到5伏后，电路才可以正常功做，经查阅资料，了解到我所选用的大功率三极管耐压值较低。在输入端加上音频信号，这里，用收音机的的输出作为小型功放的输入，可以听到声音从本次设计的功放的喇叭中放出来。7 心得体会虽然现在在一个放大电路上难以找到单一的晶体管元件，但研究晶体管的特性与用途、原理仍显得必然。掌握了晶体管的有关知识及其使用场合，对OP放大器的认识就会大不一样。如此一来，即使在使用OP放大器时出了不符要求的特性，也能采取对应的举措。有了对基本器件的认识，才能深刻地理解器件的工作原理，不但能够处理相应问题，即便是设计电路时也会显得更加得心应