OCL功放_论文

1、摘 要基于OCL音频放大器设计 2016年4月28日 I摘 要OCL功率放大器即为无输出电容功率放大器。采用双电源供电，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功放电路也是定压式输出电路，其电路由于性能比较好，所以广泛地应用在高保真扩音设备中。关键字：双电源，OCL，功率放大ABSTRACTABSTRACTOCL Power amplifier is no output capacitor power amplifier. The dual power supply, under voltage is too high, also

2、 can obtain relatively large output power, eliminating the output coupling capacitor. The low frequency characteristic of amplifier is obtained the expansion.OCL power amplifier circuit to is at constant pressure output circuit, the circuit because the performance is quite good, so widely applicatio

3、n in the high fidelity sound amplification equipment.Key Words: Dual Power supply, OCL, Power amplifier I目录目录第1章课题整体框架11.1 课题任务11.2 课题要求11.3 研究意义1第2章设计方案22.1 放大电路22.1.1 差分放大电路的分析22.1.2 差分放大电路52.2 推挽输出62.2.1 推挽电路的分析62.2.2 推挽电路72.3 模块流程图7第3章实现功能83.1 实现功能描述83.2 电路设计83.2.1 电源设计93.2.2 电源设计方案9第4章调试与实现114.

4、1 调试中遇到的重点与难点114.2 解决方案114.3 实现展示12第5章总结13参考文献14致谢15附录16 III第1章 课题整体框架第1章 课题整体框架1.1 课题任务设计一个OCL音频放大器。具备音频放大的和波形放大的功能。在满负荷输出的时，尽量减小失真。1.2 课题要求1、 全分立器件搭2、 放大倍数可调3、 放大带宽20 Hz< f < 50KHz4、 失真度5、 输出功率大于5W6、 自制正负稳压电源7、 测试过程中不出现热故障导致无法工作1.3 研究意义随着半导体工艺的逐渐成熟，大电流、高耐压的晶体管品种日益增加，越来越多的功率放大器采用了无输出的变压器OCL电路

5、。最初的大功率PNP管是锗管，而NPN管是硅管，两者的特性差别非常显著，电路的对称性很差，人们多采用准互补电路，通过一只小功率管于大功率管复合，得到一只极性与PNP管类似的大功率管，降低了因电路对称性差而招致的失真。到了六十年代末，大功率的PNP硅管商品化的时候，互补对称电路得到了广泛应用。元器件的进步使晶体管功率放大器技术指标产生了质的飞跃，在主观音质评价方面，也改变了过去人们对晶体管功放的看法。研究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,负载接在两只输出管中点和电源中点. OCL功率放大器是在OT

6、L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， 晶体管功放的发展和互调失真。它在高保真扩音系统中得到了广泛应用。15第2章 设计方案第2章 设计方案2.1 放大电路2.1.1 差分放大电路的分析1、 差动电路的输入输出方式根据输入信号和输出信号的不同方式可以有四种连接方式,即 :(l) 双端输入-双端输出，将差模信号加在 、两端 , 输出取自、两端。(2) 双端输入-单端输出，将差模信号加在 、两端 , 输出取自或到地。(3) 单端输入一双端输出，将差模信号加在上,接地 ( 或接地而信号加在 上 ), 输出取自、两端。(4) 单端输入-单端输出 将差模信号加在上,接地 ( 或接

7、地而信号加在 上 ), 输出取自或到地。注意：连接方式不同 , 电路的性能参数不同。差动放大器当输入差模信号时，差模电压放大倍数的大小与输出方式有关，而与输入方式无关。2、 基本原理差分放大器是一种特殊的直接耦合放大器，它能有效的抑制零点漂移；它的基本性能是放大差模信号、抑制共模信号；常用共模抑制比来表征差分放大器对共模信号的抑制能力；稳流电阻的增加可以提高共模抑制比；但稳流电阻不能太大，因此采用恒流源取代稳流电阻，从而进一步的提高共模抑制比。3、 静态分析静态分析（工作点的估算）静态时差动放大器的输入端不加信号时：（A） 典型电路2-1-1： （认为） (B)恒流源电路 2-1-2：计算结果

8、 UCC =12V UEE =-12V4、 动态分析（交流参数指标计算）(1) 差模电压放大倍数 当差动放大器的射极电阻足够大，或采用恒流源电路时，差模电压放大倍数由输出端方式决定，而与输入方式无关。双端输入一双端输出时: ，在中心位置，差动放大器的差模电压增益为2-1-3：双端输入-单端输出时，电压增益为2-1-4：(2) 共模电压放大倍数 对于共模信号，设差动放大器的两个输入端同时加上大小相等 , 极性相同的两个信号即单端输出时，共模电压增益2-1-5：共模电压增益1,共模信号得到了抑制。双端输出时，在电路完全对称的理想情况下，输出电压, 共模增益为上式说明，双端输出时，差动电路对零点漂移

9、，电源电压的波动等干扰信号有很强的抑制能力。实际上由于元件不可能完全对称，因此也不会绝对等于零。 (3) 共模抑制比CMRR为了表征差动放大器对有用信号（差模信号）的放大作用和对共模信号的抑制能力，通常用一个综合指标来衡量，即共模抑制比 或 5、 静态工作点测试静态工作点的测量就是测出三极管各电极对地直流电压VBQ、VEQ、VCQ，从而计算得到VCEQ和VBEQ。而测量直流电流时，通常采用间接测量法测量，即通过直流电压来换算得到直流电流。这样即可以避免更动电路，同时操作也简单。 2.1.2 差分放大电路图.1音频功率放大器的作用是将声音源输入的信号进行放大，然后驱动扬声器输出。这些声音源的输出

10、信号的电压差别很大，从零点几毫伏到几百毫伏。一个实用的音频功率放大系统必须设置前置放大器，以便使放大器适应不同的的输入信号，或放大，或衰减，或进行阻抗变换，使其与功率放大器的输入灵敏度相匹配。前置放大器的主要功能:一是使音源的输出阻抗与前置放大器的输入阻抗相匹配；二是使前置放大器的输出电压幅度与功率放大器的输入灵敏度相匹配。由于音源输出信号非常微弱，一般只有100mV毫伏左右，所以前置放大器输入级的噪声对整个放大器的信噪比影响很大。前置放大器的输入级首先采用低噪声电路，所以本设计采用差分放大作为输入前级，以保证音频信号进行不失真的放大。前端放大功能是完成小信号的电压放大任务、提高信噪比，其失真

11、度和噪声对系统的影响最大，是应该优先考虑的指标，后一级采用共射放大，进行第二级放大，以提供一个更大的放大倍数。2.2 推挽输出2.2.1 推挽电路的分析图.2介绍推挽电路，首先介绍功放的一些基本知识。从能量控制的观点看，功放电路和电压放大电路没有本质区别，但后者的要求是使负载得到不失真的电压信号，而前者的要求是获得一定的不失真的输出功率。在放大电路中，输入信号在整个周期内都有电流流过，称为甲类放大；如果只有大半个周期有电流流过，称为甲乙类放大；如果只有半个周期电流流过，称为乙类放大。乙类双电源互补对称电路，也叫OCL电路。如下图，两晶体管分别为NPN管和PNP管，由于它们的特性相近，故称为互补

12、对称管。静态时，两管的ICQ=0；有输入信号时，两管轮流导通，NPN在正半周导通（左图），PNP在负半周导通（右图），从而相互补充，使得始终有电流流过负载。既避免了输出波形的严重失真，又提高了电路的效率。由于两管互补对方的不足，工作性能对称，所以这种电路通常称为互补对称电路。推挽电路（互补型电路），用两个参数相同的三级管或MOSFET，以推挽方式存在于电路中，各负责正负半周的波形放大任务。功放的输出级有两个“臂”（两组放大元件），一个“臂”的电流增加时，另一个“臂”的电流则减小，二者的状态轮流转换。对负载而言，好象是一个“臂”在推，一个“臂”在拉，共同完成电流输出任务。如果输出级的有两个三极管

13、，始终处于一个导通、一个截止的状态，也就是两个三级管推挽相连，这样的电路结构称为推拉式电路或图腾柱（Totem- pole）输出电路。2.2.2 推挽电路图.3电路组成：功率管前级分别采用8050、8550做为推动管，为TIP41/TIP42提供一个驱动电流，并将功率管的发射极电压反馈到前级差分电路，形成一个负反馈，提高电路工作的稳定性。2.3 模块流程图差分放大VSS-VCC+共射放大推挽输出扬声器第3章 实现功能第3章 实现功能3.1 实现功能描述1、 实现了小信号放大的功能，在输入端输入一个100mV 的正弦波，能够输出峰值电压为12V 以内的正弦波。同时输入带宽较宽（20Hz-100K

14、Hz）无明显失真。2、 实现了音频放大功能，直接通过电脑输入一路模拟音频信号，高音悦耳，低音沉重，由于输出加入了大电容进行耦合所以即使没有输入信号时，输出不会存在电流声。3、 自制正负稳压电源，由于只有单相输出的变压器，要得到正负电源的功率输出，那么就必须的加入开关电源设计进去，本设计采用BUCK_BOOST电路，实现了单相输入，正负双向输出的功能。4、 输入级采用滑动变阻器，通过调节输入信号，从而调节输出电压的大小，从而控制放大倍数。3.2 电路设计图.43.2.1 电源设计1、 电源实现功能述根据OCL电路的设计需求，提供稳定的+、-16 V 供电，且纹波不大于50mV,额定输出电流3A,

15、额定输出电压17V。2、 设计方案论证方案一：可采用两个相同电容串联，中间引出GND，但是这种方案，必须保证两端输出功率平衡，否则将无法正常工作。方案二：采用BUCK_BOOST 拓扑结构，将单电源斩成一路负电压输出。本电源设计采用方案二。3、 设计思路由于输入的是一路单电压，为了得到一个低于此输入电压的负电压，那么同时又要实现功率输出，那么就必须采用开关电源来实现了，普通的BUCK、BOOST 电路输出的电压均是同相的，无法满足设计需求，所以本电路采用BUCK-BOOST 电路，由于电感反相储能的作用，经咋输出得到一个低于输入电压的负电压，从而实现了负电源的输出。4、 由于BACK_BOOS

16、T 的输出电压是反向的，所以无法采用常规的反馈电路，为了结合开关电源的反馈，在电路中采用光耦隔离，使输出电压与供电电压完全隔离，反馈信号来自供电电压，使得反馈有条不紊的工作。3.2.2 电源设计方案如图.5所示：首先220V 市电输入，经过工频变压器降压到15V后，经全桥镇流器，电容整流滤波后得到一个 V 的直流电压，输入到开关电源芯片：XL4016 输入端。XL4016 是一个集成开关电源稳压器，内部集成了误差放大器、振荡器、据此波发生器、比较器、PMOS等，只需要在芯片的反馈引脚给一个电平信号，芯片内部就能根反馈信号调节脉宽输出，从而实现稳压的作用。根据BUCK-BOOST 电路模型搭建出

17、了如图电路，由于输出的电压是低于，如果直接在输出端并联电阻分压反馈，芯片的反馈引脚将始终得到的是低电压，为了解决这一问题，本设计采用光耦隔离的方式，摒弃电压正负的概念，使反馈信号直接控制光耦的输入端，而芯片的反馈信号则直接由电压输入端提供，从而解决了电压反馈问题。由于设计需要输出电压为17V，反馈电压得有一个阀值，达到这个阀值后，才向芯片给1 的信号，使之减小输出，反之增大，如图所示，采用15V稳压二极管,当输出电压大于16.3 时，稳压二极管被反相击穿，光耦输入端的二极管发光，给芯片一个0信号，从而减小电压输出，反之亦然。通过不断的反馈调节，从而实现了稳压输出的目的。图.5第4章 调试与实现

18、第4章 调试与实现4.1 调试中遇到的重点与难点1、 由于供电电压比较高，小功率输出时输出功率管分压比较大，导致功率管发热严重。2、 推挽互补电路交越失真。3、 电阻设置不合适，导致放大倍数不够大。4、 电源不稳定，偶尔出现不工作。5、 电路工作时，无法判断电路工作是否正常。6、 负载电流达到0.5A 时，功率管发烫。7、 无输入信号时，输出有电流声。4.2 解决方案1、 为了解决发热问题，先是降低正负电源电压，然后给功率管增加散热片，从而很好的解决了发热问题，2、 为了去除交越失真，在预推挽电路哪里引入二极管，利用二极管导通压降，从而解决了交越失真问题。3、 电阻设置不恰当，进过反复计算，同

19、时进行了Multisim 仿真后，放大倍数达到了预期值。4、 检查了电路，主要是由于布局问题，导致开关电源反馈信号被干扰，为了解决这个问题，改善电路布局后，不稳定问题得以解决。5、 为了方便判断电路是否处于工作状态，在电源的输出端加入LED 显示，从而能很直观的判断电路工作状态。6、 开始使用的是小功率管2SD669A ，这个三极管最大输出电流为1.5A ,热耗散功率达不到设计要求，换上TIP41C/TIP42C后，发热问题得到了明显的改善。7、 无输入信号时，由于三极管的静态工作的的影响，有一个很小的直流输出电压，从而在输出产生电流声，影响音响音质。加入大电容直接耦合后，在减小失真的同时，消

20、除了输出电流声。4.3 实现展示图.图示，上为双电源，支持直接输入220V 市电，下为OCL 功放。第5章 总结第5章 总结转眼大学三年的生活就要结束了，走在校园里看着熟悉的教学楼、宿舍楼、操场、图书馆，没有几天就要离开这个熟悉的环境，此时的我心潮澎湃、热血沸腾、浮想联翩。毕业，在我看来，是一种解脱，但同时更是一种折磨。这是一种二律背反，难以条分缕析，即便是费尽唇舌，也难以一语中的，给出一个令自身满意的毕业时的心情结论。但有一点是毋庸置疑的，只有身处其中的人才能领会其中的酸甜苦辣，没有亲身经历的人很难有感同身受的体会：毕业，就意味着离别，更意味着选择，也意味着责任，还有其他难以预料的很多因为毕

21、业，就要马上离开熟悉的环境适应陌生的城市;因为毕业，就要开始领会生活的艰辛，面对繁杂的关系和莫测的人情;因为毕业，就要感悟离别的痛楚，与昔日的同窗分道扬镳。参考文献参考文献1王志强.译.精通开关电源设计（第五版）.高等教育出版社.2008年10月2童诗白.模拟电子技术基础（第四版）. 高等教育出版社.2011年5月3胡翔骏.电路分析（第二版）. 高等教育出版社.2009年5月 致谢致谢我要首先感谢父母给我一个机会，让我能够安心在学校学习，感谢父母这么多年为我的付出，感谢学校给我们营造了一个好的环境学习。毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不

22、同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。感谢我的导师和专业老师，是你们的细心指导和关怀，使我能够顺利的完成毕业论文。在我的学业和论文的研究工作中无不倾注着老师们辛勤的汗水和心血。老师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受启迪。从尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在此我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。附录附录1.概念:半导体三极管也称双极型晶体管,晶体三极管,简称三极管,是一种电流控制电流的半导体器件.作用:把微弱信号放大成辐值较大的电信号, 也用作无触点开关.2.三极管的分类:a.按材质分: 硅管、锗管b.按结构分

23、: NPN 、 PNPc.按功能分: 开关管、功率管、达林顿管、光敏管等.3.三极管的主要参数:a. 特征频率fT:当f= fT时,三极管完全失去电流放大功能.如果工作频率大于fT,电路将不正常工作.b. 工作电压/电流:用这个参数可以指定该管的电压电流使用范围.c. hFE:电流放大倍数.d. VCEO:集电极发射极反向击穿电压,表示临界饱和时的饱和电压.e. PCM:最大允许耗散功率.f. 封装形式：指定该管的外观形状,如果其它参数都正确，封装不同将导致组件无法在.4.判断基极和三极管的类型:先假设三极管的某极为“基极”,将黑表笔接在假设基极上,再将红表笔依次接到其余两个电极上,若两次测得

24、的电阻都大(约几K到几十K),或者都小(几百至几K),对换表笔重复上述测量,若测得两个阻值相反(都很小或都很大),则可确定假设的基极是正确的,否则另假设一极为“基极”,重复上述测试,以确定基极.注意：当基极确定后,将黑表笔接基极,红表笔笔接基它两极若测得电阻值都很少,则该三极管为NPN,反之为PNP.5.判断集电极C和发射极E,以NPN为例:把黑表笔接至假充的集电极C,红表笔接到假设的发射极E,并用手捏住B和C极,读出表头所示C,E电阻值,然后将红,黑表笔反接重测.若第一次电阻比第二次小,说明原假设成立.6.体三极管的结构和类型 晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路

25、的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种，从三个区引出相应的电极，分别为：基极b发射极e集电极c发射区和基区之间的PN结叫发射结，集电区和基区之间的PN结叫集电极。基区很薄，而发射区较厚，杂质浓度大，PNP型三极管发射区"发射"的是空穴，其移动方向与电流方向一致，故发射极箭头向里；NPN型三极管发射区"发射"的是自由电子，其移动方向与电流方向相反，故发射极箭头向外。发射极箭头向外。发射极箭头指向也是PN结在正向电压下的导通方向。

26、硅晶体三极管和锗晶体三极管都有PNP型和NPN型两种类型。 7.三极管的封装形式和管脚识别 常用三极管的封装形式有金属封装和塑料封装两大类，引脚的排列方式具有一定的规律，底视图位置放置，使三个引脚构成等腰三角形的顶点上，从左向右依次为e b c；对于中小功率塑料三极管按图使其平面朝向自己，三个引脚朝下放置，则从左到右依次为e b c。 目前，国内各种类型的晶体三极管有许多种，管脚的排列不尽相同，在使用中不确定管脚排列的三极管，必须进行测量确定各管脚正确的位置，或查找晶体管使用手册，明确三极管的特性及相应的技术参数和资料。 8.晶体三极管的电流放大作用 晶体三极管具有电流放大作用，其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。这是三极管最基本的和最重要的特性。我们将Ic/Ib的比值称为晶体三极管的电流放大倍数，用符号“”表示。电流放大倍数对于某一只三极管来说是一个定值，但随着三极管工作时基极电流的变化也会有一定的改变。 9.晶体三极管的三种工作状态 截止状态：当加在三极管发射结的电压