大连工业大学模电课程设计功率放大器

1、 大连工业大学 模拟电路课程设计题目：OCL功率放大器学院;信息科学与工程学院专业：自动化班级学号：113-08学生姓名：肖杰指导教师;李鹏目 录第一章OCL功率放大器设计方案论证31.1OCL功率放大器的应用意义31.2OCL功率放大器设计的要求及技术指标：31.3设计方案论证41.4总体设计方案分析5第2章OCL功率放大器各单元电路设计52.1设计方案5第三章 OCL功率放大器总体设计方案93.1设计思路93.2 OCL功放的作用和电路结构的特征10第四章总电路图及其工作原理104.1总电路图如图所示。104.2工作原理：104.3 电路参数计算124.4 元件明细表15第六章 测试内容及

2、步骤17第七章 参考文献资料17第八章设计总结18第一章 OCL功率放大器设计方案论证1.1OCL功率放大器的应用意义OCL(OutputCapacitorless无输出电容器)电路是采用正负两组对称电源供电,没有输出电容器的直接耦合的电路,负载接在两只输出管中点和电源中点。OCL功率放大器是在OTL功率放大器的基础上发展起来的一种全频带直接耦合低功率放大器，它在高保真扩音系统中得到了广泛应用。1.2OCL功率放大器设计的要求及技术指标： 技术指标：1.采用全部或部分分立元件设计一种OCL功率放大器。2.额定输出功率P0=10W.3.负载电阻RL=16。4.非线性失真尽量小。g5.输入信号VI

3、100mv。设计要求：1.分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。2.确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。3.设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。1.3设计方案论证根据本课题要求，我们所设计的低功率放大器应由以下几部分组成：直流稳压电源、前置放大及功率放大。以下逐一加以设

4、计及论证。电源部分本设计的电源通过变压器变为25V交流电，经整流滤波得到35V的直流电供应前置放大电路和功率放大器使用。信号放大部分前置放大电路采用低噪声双运放，分别以相同放大的方式，作为左右通道的信号放大。功率放大电路由三部分组成：输入级、推动级和输出级。输入级由有两个三极管组成差分放大电路，推动级由一个三极管组成，输出级由两个三极管对称构成。两输出管分别由正、负两组电源供电，扬声器直接接在两输出管的输出端与地之间，同时应使本功放工作在甲乙类状态。1.4总体设计方案分析本设计采用市电供电，将市电220V通过变压器变成35V的直流电，供前置放大器与功率放大器使用。输入信号通过前置放大电路进行初

5、步放大，再经过功率放大器进行进一步的放大。最后通过输出端输出，即得到所需。第2章OCL功率放大器各单元电路设计2.1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。先设计一个放大器所需要的12V的直流稳压电源，如下图1。

6、信号先通过差分放大电路进行放大，如下图2。再通过复合管进一步放大，如下图3。最后通过R输出。 1、直流稳压电源电路图（图1)在电子线路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。小功率稳压电源一般有电源变压器、整流、滤波和稳压电路等四部分组成。电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通 过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动（一般有10%左右的波动）、负载和温度的变化而变化，因而在整流、滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时

7、，维持输出直流电压的稳定。 当负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。 2、差分放大电路电路图（图2)差分放大电路在性能发那个面有许多有点，是模拟集成电路的又一重要组成部分。上图时用两个特性相同的三端器件T1、T2所组成的单端输入的差分放大电路。图中R0为实际电流源的动态输出电阻，其阻值一般很大，容易满足R0Re（发射结电阻）的条件，这样就可以认为R0支路相当于开路，输入信号电压近似地均分在两管的输入贿赂上，如图中体现了射极耦合的作用。3、 复合管放大电路电路图（图3) 双极性三极管（BJT）有两种类型：NPN型和PNP型。他们分别有三个极：发射极e、集电极c和基极b。当BJT用作放大器件时，

8、无论是NPN型还是PNP型，都应将他们的发射结加争先偏置电压，集电结加反向偏置电压。4功率输出级的设计 (1)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U2V，每个管的最大集电极电流为IV/R14+R，每个管的最大集电极功耗为P0.2P。（2）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(1.11.5) P=P(1.11.5)（3）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

9、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=（0.050.1）R。 由于V1，V3管的类型不同，接法也不一样，因此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。(4) 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，V

10、9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。第三章 OCL功率放大器总体设计方案3.1设计思路功率放大器的作用是给负载R提供一定的输出功率，当R一定的时候，希望输出功率尽可能的大，输出信号的非线性失真尽可能的小，且功率尽可能的高。 由于OCL电路采用直接耦合方式，为了保证电路工作稳定，必须采用有效措施抑制零点漂移。为了获得足够大的功率驱动负载工作，故需要有足够大的电压放大倍数。因此，性能良好的O功率放大器应由输入级、推动级和输出级等部分组成。3.2 OCL功放的作用和电路结构的特征 1）输入级：主要作用是抑制零点漂移，保证电路工作稳定，同时对前级送来的信号做低失真、

11、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）推动级的作用是或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，其静态偏置电流比输入级要大。3）输出级的主要作用是给负载提供足够大的输出信号功率，可采用由复合管构成的甲乙类互补对称或准互补功放电路。 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

12、和接好保险丝，以防损坏器件时。第四章 总电路图及其工作原理4.1 总电路图如图所示。4.2 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。3R7，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，

13、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。4R5，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。5R16，C6称中和电路，防止由于感性负载而引起高频自激。6R4，C2是差动放大器的电源滤波电路。7C4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复合管导通，信号放大后经R14，R，地，+V返回V4，V6形成回路，在负载R上有放大了的正半周电流i通过

14、，其方向如图中的实线所示。同理可知负半周上的i通过，如图中虚线所示。这样轮流推挽工作，在R上就获得功率放大后的完整信号。4.3 电路参数计算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 Pom=1.810=18 W所以，最大输出电压Uom应该根据Pom来计算，即， Uom=2PomRL=21816=24V 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=1/0.724=35V式中：电源利用系数，一般

15、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 电路图如图所示(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。 管子承受的最大反向电压为 UCEM 2VCC 70. 每管最大集电极电流为 IcmVCC/RL 2.19 单管最大集电极功耗为 PCM 0.2POM 3.6 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 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

16、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 = rbeoshi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=（510）Ri平衡电阻R20可按R19/10= 选取。R18=R20=n 选取互补管T2,T3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 / Pcm (1.1-1.5)Pcm4/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

17、参数满足 BUCEO UCEM ICM Icm PCM Pcm 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IR16IBmIcm/(一般取IR161.2IBm)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（VccUBE2UBE4）/R16（Vcc0.70.7）/R16，所以R16的阻值应为（Vcc1.4）/IR16，而R17的阻值和R16相等。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

18、负反馈决定Aum31Rf/R14R14阻值不要过小，一般为12k左右，于是反馈电阻Rf的大小也就确定了。4.4 元件明细表 第六章 测试内容及步骤1.测试内容：在OCL方式工作时，采用双电源供电，当电源为35V电压，可获得10W的输出功率。2.测试步骤: 1）对元件清单目录表检查元件是否安全； 2）认识识别各种元器件以及认清其作用； 3）学习OCL功率放大器的工作原理； 4）元器件的焊接和安装； 5）检查电路。将安装好的OCL和电路原理图对照检查下列内容 1检查各晶体管的型号、安装位置和管脚是否正确；2检查元器件的安装顺序，各级引线是否正确；3检查电容的引线“+”、“-”接法是否正确；4注意集

19、成运算放大器和晶体管的初次安装是否正确；5用万用表测量电路数据，并做一些基本调试。第七章 参考文献资料主要参考资料：电子技术基础 康华光 高教出版社电路基础 罗先觉 高等教育出版社电子线路设计 谢自美 华中科技大学出版社电子电路设计实例与应用 陈永甫 电子工业出版社电子设计技术 陆 坤 张义中 电子科技大学出版 模拟电路技术 张英全 刘芸 樊爱华 机械工业出版社第八章 设计总结心得与体会：通过这次课程设计我对模拟电子技术有了更进一步的熟悉和了解，实际操作起来很困难，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