音频功率放大器

1、编号： 课程设计说明书题 目： OCL音频功率放大器 院 （系）： 信息与通信学院 专 业： 电子信息工程 学生姓名： 蔡宝明 学 号： 1200220707 指导教师： 符强 2014年10月30日摘 要OCL功率放大器是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。OCL是英文Output Capacitor Less 的缩写，意为无输出电容。采用双电源供电，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功率放大电路也是定压式输出电路，由于电路性能比较好，所以广泛的应用在高保真扩音设

2、备中。本次课程设计采用分立元件电路法设计一台OCL音频功率放大器。设计的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，功率放大电路类型很多，目前电子电路中广泛采用乙类（或甲乙类）互补对称功率放大电路，所以这里只对乙类（或甲乙类）互补功率放大电路进行分析。关键词：OCL功率放大器、双电源、分立元件电路法、互补功率放大电路AbstractOCL power amplifier is a kind of direct coupling

3、 of power amplifier, it has a wide frequency response, high fidelity.Good dynamic characteristics and easy integration, etc.The abbreviation of OCL is English the Output Capacitor Less, meaning no Output capacitance.With double power supply, the use of the positive and negative power supply, under t

4、he condition of the voltage is too high, also can obtain larger output power, saves the output coupling capacitance.The character of low frequency amplifier was expanded.OCL power amplification circuit and constant pressure output circuit, because the circuit performance is good, so widely used in t

5、he high fidelity audio amplifiers.The course design of discrete component circuit method is used to design an OCL audio power amplifier. Design of power amplifier circuit consists of three parts: the input stage, promote the level and output level.Input stage is composed of two triode differential a

6、mplifier circuit, driver stage consists of a transistor, the output level consists of two triode symmetry.Two output pipe respectively by the positive and negative two sets of power supply, the speaker directly connect between the output pipe output terminal and ground, power amplification circuit t

7、ype many, now widely used in electronic circuit b class (or class ab) complementary symmetry power amplifier circuit, so here only to b class (or class ab) complementary power amplification circuit is analyzed.  Key words: the OCL power amplifier, dual power supply, discrete element method

8、, the complementary power amplification circuit目 录引言51 OCL功率放大器设计方案61.1 OCL功率放大器设计的参数及要求61.2 OCL功率放大器设计思路61.3 总体设计方案框图62 电路主要器件选择及其参数72.1 2N5551介绍72.2 2N5401介绍72.3 TIP41介绍83 OCL功率放大器电路设计与分析93.1 整体电路图设计93.2 各级电路分析93.2.1 输入级电路分析93.2.2 推动级电路分析93.2.3 输出级电路分析104 电路板的制作及调试114.1 PCB的印制与电路板的制作114.2 电路板的调试12

9、4.2.1调试过程中使用到的仪器124.2.2电路板的调试过程124.2.3调试参数的记录与分析125 总结12谢 辞14参考文献15附 录16引言随着社会的发展，人们的追求，现代人对听觉的水平要求越来越高，所以对音响的音质真实性要求越来越多，并能对音频信号进行适当的加工装饰，使声音音质真实优美动听。目前，音频功率放大器仍以模拟功放为主流产品，模拟功放经历了数十年的不断改进和完善，其技术已发展到了顶峰。模拟类功放是以线性放大为基础，功率放大器件有电子管和晶体管两类。按功放静态工作点的设置可分为类放大，/类放大和C类放大三种。晶体管功放的最大优点是电源转换效率高（C类功放最大可达55%）、体积小

10、、重量轻、发热量不大、生产成本低。缺点是转换速率低、偶次谐波失真较大。音质和可靠性指标都略逊于电子管功放。随着晶体管制造技术的不断提高和新技术的应用，各项实用性指标和可靠性指标都有很大改善，并不断在向更大的输出功率、更小的体积、更轻的重量、更多的功能和智能化方向发展。本次音频功率放大器设计由前置放大级和功率放大级两部分组成。前置放大级主要任务是完成小信号电压放大任务，同时要求低噪声、低温漂。功率放大级主要任务是在允许的失真限度内,尽可能高效率地向负载提供足够大的功率，要求是输出功率要大、效率要高。通过详尽的资料查询和严密的方案论证后，我们选择通过2N5551、2N5401、TIP41的配套使用

11、来使本电路系统设计简洁、实用并且达到高增益、高保真、高效率、低噪声、宽频带、快响应的指标。 1 OCL功率放大器设计方案1.1 OCL功率放大器设计的参数及要求设计参数：1输入灵敏度小于500mvpp；2.最大输出功率；3.负载阻抗；4.在POR下的效率50%；5具有音量调节功能；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

12、，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，采用左进右出的规律摆放各电路。1.2 OCL功率放大器设计思路本次设计采用分立元件电路法。输入级由由两个三极管组成差分放大电路，推动级由个三极管组成，输出级由两个互补对管以及两个大功率管构成。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。1.3 总体设计方案框图图1.3 总体设计方案框图2 电路主要器件选择及其参数2.1 2N5551介绍2N5551是NPN小功率三极管,2N5551 的电流增益带宽积100-300MHZ ，放大倍数为 80-250。用途

13、:用于普通高压放大。特点:击穿电压高,可与2N5401(3CG5401)互补。其外形及引脚图及主要参数如下：图2.1 2N5551外形及引脚图表2.1 2N5551主要参数2.2 2N5401介绍2N5401是PNP小功率三极管,可与2N5550/2N5551 NPN管做互补对称管.2N5401 电流增益带宽积100-300MHZ 放大倍数 40-200。其外形及引脚图及主要参数如下：图2.2 2N5401外形引脚图表2.2 主要参数如下表：2.3 TIP41介绍TIP41是PNP中功率三极管,广泛用于信号放大及音频功放用晶体管,可与TIP42PNP管做互补对称管使用。TIP41电流增益带宽积

14、(ft) 最小3MHZ, 放大倍数30-75。该 功率三极管，是电流控制性器件，主要作用是电流放大。其外形及引脚图如下：图2.3 TIP41形及引脚图3 OCL功率放大器电路设计与分析3.1 整体电路图设计整体电路由三部分组成：输入级、推动级和输出级。输入级由由三个三极管组成差分放大电路，推动级由三个三极管组成，输出级由两个互补对管以及两个大功率管构成。 整体电路图见附录。3.2 各级电路分析3.2.1 输入级电路分析输入信号由音频输入口或柱极话筒产生，粗调滑阻R100和R5可以控制输入信号的大小,C3为耦合电容隔绝输入信号的直流成分，精调滑阻R10、R13和R14构成VT1的偏置电

15、阻，VT1、VT2和T10构成恒流源偏置的差动放大电路。输入级电路原理图如下：图3.2.1 输入级电路原理图3.2.2 推动级电路分析R3是D1、D2的限流电阻；D1、D2是T9的静态偏置二极管；C2、C6是高频自激消除电容；R12、R19构成平衡电阻；R5、R15和滑阻R11为T6提供合适的偏置电压。推动级电路原理图如下：图3.2.2 推动级电路原理图3.2.3 输出级电路分析T6为T2、T7提供偏置电压；VT2、VT1和VT7、VT8构成复合管，达到进一步放大输出功率的目的；R6、R21和R7、R20可减少复合管的穿透电流，提高电路的稳定性；电解电容C1、C8是电源滤波电容；C5和R15构

16、成输出滤波电路，主要是滤除输出信号中的高频交流成分。输出端接8欧50w的电阻做负载。输出级电路原理图如下：图3.2.3 输出级电路原理图4 电路板的制作及调试4.1 PCB的印制与电路板的制作 运行，Altium Designer 软件，首先新建工程，新建一个原理图文件，在，Altium Designer 中再选择相应的元件，进行布局、连线，修改它所对应的封装，再导入原理图中，检查原理图无误后，生成网络表。新建一个PCB文件，导入前一步中生成的网络表，排查其中的错误直到能够成功导入。对于导入的元件进行布局，尽量使电路板看起来紧凑一些，同时减少线与线之间的交叉，减少不必要的跳线，使用手动布线之后

17、再对照原理图检查多遍是否正确，然后去打印店打印PCB。 科协有印版的机器，在印制电路板前首先用砂纸将铜板打磨光滑方便印制和腐蚀，在印版时将电路板和打印的PCB纸紧密相贴，双手送入机器当中，反印两次之后就基本成功了，之后检查是否存在有断线，用油性笔将有断线的地方即使连接起来。之后将浓盐酸、双氧水和水按照一定的比例配置成腐蚀液，将印制好的电路板放入其中，用手晃动盛有腐蚀液的容器可以加快反应速度。在反应完后取出电路板，用清水清洗之后就可以开始打孔了，打孔的时候要对准，不然在之后插元件尤其是多管脚的芯片时会很困难，也不要磨针，不然很容易就会断。在打完孔之后，用砂纸打磨一遍，再涂上松香防止腐蚀，就可以开

18、始对电路板进行元件的焊接了，焊接时应注意要焊稳，防止虚焊的产生。这样，一块完整的电路板就做好了。4.2 电路板的调试4.2.1调试过程中使用到的仪器函数信号发生器一台示波器一台数字万用表一台直流稳压电源一台4.2.2电路板的调试过程 电路所设计的功能能否实现，电路板制作的好坏也起了很大的作用。在接通电源前，我先对电路中的主要线路进行了测量，包括电源线，地线，芯片之间的连线，确定电路板电路正确后，在不接负载和输入信号的情况下，接上+16和-16的双电源，然后用数字万用表对电路中的三极管的静态工作点进行检测，检测无误后，在输出端接上示波器观察输出波形，在输出波形正常后，输出端接上8欧大功率电阻做负

19、载，输入端输入500mv，1kz的正弦信号，接着用示波器测试输出信号，此时调节输入信号使输出波形达到最大不失真，并且记录此时的输出电压的峰峰值和输入电流的大小，通过调节输入端的粗调滑阻可以控制输出信号的幅值。调试的实际过程见附录。4.2.3调试参数的记录与分析调试记录的参数如下：输入灵敏度=470mvpp；输入直流电流I=0.5A输入直流电压U=±17v输出信号峰峰值Vo=26.2vpp分析：输入功率Pi=UI=34×0.5=17w输出功率Po=Uo2/64=26.22/64=10.72w效率=Po/Pi=10.72/17=63.1%经过计算可以验证该OCL功率放大器的输入

20、灵敏度、输出功率和效率均达到了预期的参数要求，且具有音量调节功能。综合考虑，可以判断这块功放电路板是合格的。5 总结这次的课设时间很充裕，在这一过程中我也学到了很多。刚开始我到网上搜索了一下相关内容，再到学校图书馆借相关书籍，经过不断比较与论证，最终敲定了音频功率放大器的电路原理图，并且询问了学长们关于元器件的参数情况，为下步实物连接打好基础。在实验的过程中，我发现OCL功率放大器和我们曾经做过的OTL功率放大器实验基本相同，所差的就是OCL有双电源，而OTL则是单电源。并且总结出前置放大是用来放大弱信号的，一般都是先将信号通过电解电容来滤掉高频的噪音信号，然后进入负反馈的运放来放大信号。功率

21、放大器一般指放大交流信号的功率，就是信号不失真的情况下放大用电器的电流和电压。 经过这段课程设计的日子，我发现从刚开始的protel到现在的Multisim，不管是学习哪种软件，都给我留下了很深的印象。由于没有接触，开始学得很费力，但到后来就好了。在每次的课程设计中，遇到问题，最好的办法就是问别人，因为每个人掌握情况不一样，不可能做到处处都懂，发挥群众的力量，复杂的事情就会变得很简单。这一点我深有体会，在很多时候，我遇到的困难或许别人之前就已遇到，向他们请教远比自己在那冥思苦想来得快。 在完成这个设计之后，我重新将自己的设计细细看了几遍，同时也把做同样设计的几个同学的设计借来观摩了一番。在进行

22、对比和分析之后，我发现一开始进行设计的时候，我基本上都是参照书本或者网上的例子进行，甚至就是按照它的步骤再做一遍。但是等到自己设计的时候，我觉得就应该抛开例子，完全按照自己的思路独立进行，这样可能会在设计中碰到更多的问题，但是这样也能让我学到更多，而且在解决遇到的问题时会更加引发自己的思考，说不上创新，但可能会有新意产生，也就是自己的东西了。 这一点我想在任何一门课程的学习，在今后任何一行工作都是很重要的。 尽管现在只是初步学会了音频功率放大器设计，离真正掌握还有一定距离，但学习的这段日子确实令我收益匪浅，不仅是巩固了先前学的电路、模电的理论知识，而且也培养了我的动手能力，更令我的创造性思维得

23、到拓展。希望今后类似这样课程设计、类似这样的锻炼机会能更多些! 谢 辞历时一个月的课程设计结束了，这给我们带来了不可磨灭的深刻印象，尤其是对于未知的探索，对错误的寻找，这个过程是充满乐趣和成就感的，在连接电路的过程中，遇到了不少问题，包括原理的理解，实验电路的设计，以及在电路连接过程中不可避免的与设计思想相违背，不能出现实验结果的情况，经过对问题的分析及对线路，对实验器材的进一步调试，才一步步的解决问题，并最终得出实验结果。在这一个月的课程设计中，我的收获是巨大的，首先，在专业知识的理解与掌握上更进了一步，通过对所不理解的专业知识的查找，并最终将其理解掌握，而且融入到设计理念中，这是一个不断成长和成熟的过程。第二，我学会了怎么去做一个设计者，再设计的过程中，我们必须不