OCL大功率功放设计

1、OCL 大功率功放第四组2016 年年 7 月月 23 日日目录摘要摘要.1 1第一章第一章 OCLOCL 功率放大电路方法论证功率放大电路方法论证 .2 2 1.11.1 OCLOCL 功率放大电路实际参数要求功率放大电路实际参数要求 .2 2 1.21.2 功放的性能指标功放的性能指标 .2 2 1.31.3 OCLOCL 功率放大电路性能分析功率放大电路性能分析 .2 2 1.41.4 总体方案框图及分析总体方案框图及分析 5 5第二章第二章 OCLOCL 功放单元电路设计功放单元电路设计 .6 62.12.1 直流稳压电源设计直流稳压电源设计 .6 62.22.2 输入级电路设计输入级

2、电路设计 .6 62.32.3 放大电路设计放大电路设计 .7 7第第三章三章 OCLOCL 放大电路整体设计放大电路整体设计.8 8 3.13.1 整体电路图以及工作原理整体电路图以及工作原理99 3.23.2 电路参数设计电路参数设计 1010 3.33.3 整体电路性能分析整体电路性能分析 1111第四章第四章 安装与调试安装与调试.1 11 1第五章第五章 设计总结设计总结1212参考文献参考文献.1 14 4附录附录 1818摘摘 要要 OCL(Output Capacitorless 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单端推挽电路,负载接在两路

3、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，功率放大器(简称功放)的作用是给音频放大器的负载 RL(扬声器)提供一定的输出功率。当负载一定时，希望输出的功率尽可能大，输出信号的非线性失真尽可能地小，效率尽可能高。本题OCL 大功率功放电路，主要采用分立元件电路法进行设计，分别设计直流稳压电源，输入电路以及放大电路。其中输入电路采用差分式电路，利用电路参数的对称性起到补偿作用；放大电路分为激励级和功率放大级，其中采用甲乙类互补对称放大，增益高，功率大，失真小。关关 键键 字：字：OCL 功率放大；直接耦合；分立元件；差分放大；

4、甲乙类互补对称等 2第一章第一章 OCLOCL 功率放大电路方法论证功率放大电路方法论证1.11.1 OCLOCL 功率放大电路实际参数要求功率放大电路实际参数要求本次设计需要采用全部分立元件设计此 OCL 功率放大器。并设计出此功率放大器所需的直流稳压电源。设计参数如下所示：1.额定输出功率。WWP252502.输出阻抗。841.21.2 功放的性能指标功放的性能指标 （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。（2）效率更高。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

5、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。（3）非线性失真小。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

6、的损坏与保护问题也不容忽视。1.31.3 OCLOCL 功率放大电路方案分析功率放大电路方案分析1.3.11.3.1 方案一方案一首先做一个简单的线性电源，将 220V 交流电降压后，采用桥式整流、再用简单的滤波电路滤波、三端集成稳压器稳压，最后再经滤波电路滤波，选取 VCC/2 为地，由于输出功率比较大，将 VCC 定值为 30V，最后做成一个电压3稳定的正负 15V 电源。采用集成运放进行电压的放大，最后采用乙类互补对称电路放大电流，然后将信号输出。 图 1-1 方案一框图 1.3.21.3.2 方案二方案二 首先做一个简单的线性电源，将 220V 交流电降压后(采用三端输出的电压器)采用

7、桥式整流、再用简单的滤波电路滤波、三端集成稳压器稳压，最后再经滤波电路滤波，选取 VCC/2 为地，由于输出功率比较大，将 VCC 定值为 30V，最后做成一个电压稳定的正负 15V 电源。然后将信号经过差分式放大电路，进行信号放大，最后采用甲乙类互补对称电路进一步放大电流，最后得到波形稳定的输出信号。全部采用分立原件，中间放大级采用直接耦合。 图 1-2 方案二框图1.3.31.3.3 方案的方案的对比对比（1）相同点：两方案的基本的设计思想相同，都是先做一个正负 15V 的电源然后基于甲乙类双电源互补对称电路放大原理对信号进行放大。电源电路信号输出输出级乙类互补对称放大信号输入集成运放放大

8、电源电路信号输出输出级甲乙类互补对称放大信号输入差分放大4（2）不同点： 方案一 方案二输入级直接利用集成运放放大电压。全部采用分立元件，电路结构易于理解分析。 比较（优点）方案二结构简单、思路易懂。放大级电流放大：只考虑输出电流与输入电流的关系。比如说，对于一个 UA级的信号，就需要放大后才能使电路进行识别，就需要做电流放大。电压放大：只考虑输出电压和输入电压的关系。比如说有的信号电压低，需要放大后才能被模数转换电路识别，这时就只需做电压放大。输出级乙类互补对称放大甲乙类互补对称放大比较（优点）方案二甲乙类互补对称放大能够避免交越失真表 1-1 两种方案对比表 综上所述，通过比较，本设计选用

9、方案二。根据本设计要求，我们所设计的 OCL 功率放大器应由以下几部分组成：直流稳压电源、输入电路和放大电路。以下逐一加以设计及论证。电源部分：本设计的电源通过变压器变为 20V 交流电，经整流滤波得到30 V 的直流电；同时直流电再经三端集成稳压电路输出15 V，供应输入电路和放大电路的使用。输入部分：主要起缓冲作用。采用差分对管放大电路，通常引入一定量的负反馈，增加整个功放电路的稳定性和降低噪声。差分放大器由两个特性相同的放大电路组成，其左、右两管的参数几乎完全相同。这种电路具有很高的稳定性，能抑制“零点漂移” ，保证输出级中点电压的稳定。放大部分：放大电路由共射三极管形成的激励级以及两个

10、三极管对称构成。整个功率放大器的增益主要由激励级提供，激励级还要为后一级（功率输出级）提供稳定的偏置电压；功率放大级采用互补输出形式的单端推挽放大电路，其输出级由两组（称为上臂、下臂）不同极性的复合管构成。利用它们的偏置极性相反的特性，可以自动地分别放大正、负半周信号，即具有互补特性；又因5为在工作时总是一臂导通放大信号，另一臂截止，工作在推挽状态，因此又被称为互补对称推挽放大电路，功率管采用了功放管并联的方法，每个声道就有四个两输出管分别由正、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，同时功率放大工作在甲乙类状态。1.41.4 总体设计方案框图及总体设计方案框图及分析分析 图

11、1-3 总体设计方案框图 分析：采用市电供电，将市电 220 V 通过变压器变成15 V 的直流电，供输入级放大器与放大级使用。输入信号通过差分电路输出性能稳定的信号，再经过激励级进行初步放大，最后经过甲乙类功率放大电路输出，即得到所需。直流稳压电源输入级激励级功率放大电路6第第 2 2 章章 OCLOCL 功放单元电路设计功放单元电路设计2.12.1 直流稳压电源设计直流稳压电源设计220 V 市电经变压器输出两组独立的 20 V 交流电，大电容滤波得到15 V直流电，再加一个小电容滤除电源中的高频分量。考虑到制作过程中电源空载时的电容放电可在输出电容并上 4.7 k 大功率电阻。万一输入端

12、短路，大电容放电会使稳压块由于反电流冲击而损坏，加个二极管可使反相电流流向输入端起到保护作用。（如图 2-1 所示） 图 2-1 直流稳压电源2.22.2 输入级电路设计输入级电路设计 OCL 大功率功放为双声道，两声道电路原理完全一样，以右声道（R）为例，Q1，Q3，为差分电路输入级，实现对共模信号的抑制；发射极电阻 R7 对共模信号的负反馈作用，抑制了集电极电位的变化。（如图 2-2 所示）7图 2-2 输入级电路2.32.3 放大电路的设计放大电路的设计Q5 为激励级，进行了电压放大；Q7 与 Q11，Q9 与 Q13 组成甲乙类互补输出级，输出信号从 Q11 发射极和 Q13 集电极取

13、出，R25，R27，C11，C13，降低静态噪声，改善系统性能。（如图 2-3 所示）图 2-3 功率放大电路8第三章第三章 OCLOCL 功率放大电路整体设计功率放大电路整体设计3.3.1 1 整体电路图及工作原理整体电路图及工作原理3.1.13.1.1 整体电路图整体电路图OCL 功率放大器整体电路设计图如下图所示输入电路和放大电路：3.1.23.1.2 工作原理工作原理 220V 市电经变压器、桥式整流、滤波，稳压可获得15V 的直流电。用此电源给输入电路及放大电路提供能量。 普通信号输入电容 C1，电阻 R1 可滤除信号噪声，输入到单端输入、单端输出的差分放大电路，达到抑制温度漂移的效

14、果。发射级可经共用电阻 R7 进行电流负反馈,形成稳定信号。 当信号经过差分电路输出后到后一级三极管 Q5，Q5 为共发射级电路，共射级电路具有电压放大作用，所以信号经 Q5 电压放大后，从 Q5 集电极取出的信号，分为两路；一路直接送互补对称放大电路的上臂（由 Q7、Q11 组成的）NPN 型复合管的基极（Q7 基极） ，当信号为正半周时，NPN 型复合管导通，输出电流经正电源从 Q9 取出；当信号为负半周时，NPN 复合管截止；另一路送互补对称放大电路的下臂（由 Q9、Q13 组成的）PNP 型复合管的基极（Q9 基极） ，当信号为负半周时，PNP 型复合管导通，电流经 Q13 到负电源，

15、当信号为正半周时，PNP 复合管截止。这样，两只功率管一推一挽地工作，在输出端形成完整的功率放大。 9Q5 和 Q9 基级和集电极都并联一个 10uf 的小电容，这个是为了防止自激而损坏电路而附加上去的。扬声器补偿电路由 R23、C9 组成，由于扬声器为感性负载，在瞬间大动态信号作用下，容易损坏扬声器内的线圈。接入 R23、C9 组成容性负载，补偿由于感性负载产生移相，保护扬声器。3.23.2 电路参数设计电路参数设计3.2.13.2.1 确定电源电压参数确定电源电压参数 为了达到设计要求，同时使电路安全可靠地工作，电路的最大输出功率 Pom应比设计指标大一些，一般取Pom（1.52）Po。由

16、于Pom=V 2om/2RL,因此，最大输出电压为Vom=(2POMRL)1/2。考虑到输出功率管 Q7 和 Q11 的饱和压降，所以电源电压常取 VCC=(1.21.5)Vom。设计要求 Po1=25W。所以由以上公式可得Pom37.550 WVom15.517.9 VVCC18.626.9 V这里输出的电压为15V，其他指标也均达到要求。因此它们可作为输入级电路与放大级的直流稳压电源。3.2.23.2.2 确定功率输出管的参数确定功率输出管的参数输出功率管的参数选择。输出功率管 Q11、Q13 为同类型的 NPN 型大功率管，其承受的最大反向电压 UCEmax2VCC,每管的最大集电极电流

17、为 ICmaxVCC/Rl,每管的最大集电极功耗为 PCmax0.2Pom。再选择两管时除了要注意值尽量对称外，其极限参数应满足下列关系：U(BR)CEOUCEmax2VCC ICMICmax PCMPCmax 所以，根据以上分析可得 U(BR)CEO48 V ICM3 A PCM34 W这里我选择了两个 3DD15D 的管子，它们的参数基本符合以上分析的数据。3.2.33.2.3 复合管的参数选择复合管的参数选择Q7、Q11 分别与 Q9、Q13 组成复合管，它们承受的最大电压均为 2VCC，在估算 Q7、Q11 的集电极最大电流和最大管耗时，可近为ICmax(1.11.5)10ICmax/

18、PCmax(1.11.5)ICmax/所以选择 Q7、Q9 管时，其极限参数应满足 U(BR)CEO2VCC ICMICmax PCMPCmax所以，根据以上分析可得 U(BR)CEO48 V ICM0.330.45A PCM0.330.6 W这里 Q7 我选择了 9013 的管子,Q9 我选择了 9012 的管子，它们的参数基本符合以上分析的数据。3.2.43.2.4 部分重要电阻的参数选择部分重要电阻的参数选择电阻的选择很重要，太小会影响管子的稳定性，太大又会影响输出功率。R23 与 C9 串联的消振网络的参数选择：R23 与 C9 的取值视扬声器的频率响应而定，以效果最佳为好。我取 R2

19、3=22、C9=10mF。3.33.3 整体电路性能分析整体电路性能分析此功放不仅能放大普通信号，还能放大一些极其微弱的信号。经过计算此功放的输出功率为 20W30W，失真度约为 2.5，基本符合设计要求。本次课程设计采用部分分立元件法进行电路设计，电路结构简单、思路易懂。OCL功率放大电路的方案采用甲乙类互补对称放大可以能够避免交越失真。11第第 4 4 章章 安装与调试安装与调试4.14.1 安装步骤安装步骤（1）元器件测量：根据图纸要求的元器件，进行性能、参数的测量。(第一次检查)（2）元器件的引脚处理：用刀片刮去引脚上的氧化层，并进行上锡。（3）元器件的成型处理：按照元器件成型要求，对

20、元器件的引脚进行成型处理。 （4）元器件的安装：根据原理图(或理先画好的接线图)，在 PCB 板上进行元器件布局，元器件从 PCB 或焊盘的反面插入。元器件布局时，要注意元器件的正确放置方向。 （5）元器件焊接：用焊接五步法，将元器件与 PCB 板焊牢，焊接时时间不要过长，否则会损坏元器件。反之，焊接时时间也不能太短，将影响焊接质量，焊点要符合要求。 （6）元器件的安装检查：检查元器件是否安装正确，安装位置、方向、成型是否符合要求，若已符合，可进入下一步工作，否则需重新安装(第二次检查)。（7）连线：用已处理好(上过锡)的连接导线，将元器件的引脚连接起来，构成回路。连线时，导线要横平坚直，不能

21、走非 45 度的斜线，同时导线不能从两铆钉间穿过。对于较长的连线，连线中间要加焊点，防止连线左右移动时造成短路。（8）连线完成后，要对每个焊点进行工艺处理，使之光泽、饱满，符合要求。（9）装上信号输入线、输出线，电源线，这些连线最好用两种颜色，以使区分正负。 （10）检查电路正确性：用万用表的欧姆档检查连线是否正确，元器件是否按图纸要求已经连通，构成回路。(第三次检查)4.24.2 调试步骤与方法调试步骤与方法 （1）测量电源电压：选择具有双电源输出的直流稳压电源，调节直流稳压12电源电压调节旋钮，使输出电压为+15V 和15V。 （2）测量电路板上+15V 与 GND、15V 与 GND、+

22、15V 与15V 之间的正反向电阻，看是否有短路现象。注意，一定要测量正反向电阻。 （3）不要接上负载扬声器，测量 Q11 和 Q13 两管集电极对地电压（即中点电压） ，调节 R1，使中点电压为 0V（该值应不大于1V，否则较大直流电流过扬声器，扬声器会烧坏） 。 （4）断开 Q11 集电极，串入电流表（注意电流表的正确接法：正极接 Q13的集电极，负极接 Q13 的集电极）测量 Q11 的集电极电流，使 Q11 的集电极电流为 15mA20 mA。 （5）重复第 3 步和第 4 步，最后使中点电压和 Q11 集电极电流符合要求。（6）用 MP3 播放机或 CD 机输入音频信号，感觉声音的音

23、质。13第五章第五章 设计总结设计总结 通过这次设计，我们对以前所学的电路和模电知识有了更深层次的理解与巩固，也利用 PROTUSE 软件对原理图进行了仿真，利用 PROTEL 软件的应用，制作出电路的 PCB 印制电路板图，由于电路焊接较麻烦，以及最后的焊接，安装，调试，来设计一个很完整的电路，过程中需要不断的尝试摸索，这在很大程度上提高了我们考虑问题的全面性。设计完整的电路，还要考虑到它什么功能需要什么电路来实现。另外，还要考虑它的可行性，实用性等等。这样，也提高了我们分析问题的能力。通过这次设计，我们的理论知识上升到了一个实践的过程，我们需要多训练实际动手操作，增强我们的动手能力。本次设

24、计中我们遇到很多的问题，尤其是在调试时由于 PCB 板制作时没有连接一个电容，造成调试的失败，经过排查电路错误，才使得调试成功。我们也深刻体会到了自己知识的匮乏，意识到自己所学的知识的肤浅，只是一个表面性的，理论性的，根本不能够解决在现实中还存在的很多问题。因此，学习中应多与实际应用相联系。总之，通过这次设计，不仅使我们对所学过的知识有了一个新的认识。而且提高了我们分析问题及动手操作的能力。使我们的综合能力有了一个很大的提高。14参考文献参考文献1 康华光主编康华光主编 电子技术基础（第五版）电子技术基础（第五版） （模拟部分）（模拟部分） 北京：高等北京：高等教育出版社，教育出版社，2006

25、.12006.12 高吉祥主编高吉祥主编 电子技术基础实验与课程设计（第二版）电子技术基础实验与课程设计（第二版） 北京：北京：电子工业出版社，电子工业出版社，2005.22005.23 实用电子技术手册编委会实用电子技术手册编委会 实用电工电子技术手册实用电工电子技术手册 北京：机械北京：机械工业出版社，工业出版社，2003.82003.84 全国大学生电子设计大赛组委会全国大学生电子设计大赛组委会全国大学生电子设计竞赛获奖作全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选品精选 北京：北京理工大学出版社，北京：北京理工大学出版社，2010.72010.75 韩广兴主编韩广兴主编 电子元器件与实用电路基础电子元器件与实用电路基础 电子工业出