乙类OTL功率放大器仿真

1、1、CDIO设计目的设计乙类OTL功率放大器，并熟悉其设计原理，进行multisim的仿真。利用555定时器设计信号发生器（方波，三角波，正弦波），并进行仿真。通过设计与仿真进一步加强对有关理论的认识。加深了对电路设计技巧及电子电路原理的理解。2、CDIO设计正文2.1功率放大器的设计2.1.1功率放大器的本质功率放大器即把前级放大器的弱信号放大，然后驱动一定的负载工作，例如喇叭等。而 所谓的“乙类OTL功率放大器”即单电源供电，无输出变压器的在半个周期内导通的功率 放大器。另外所谓的“推挽放大器”即利用两只特性相同的晶体管，使 它们都工作在乙 类状态，其中一只晶体管在正半周工作，另一只在负半

2、周工作，然后设法将两只管的 输出波形在负载上组合到一起，得到一个完整的输出波形。2.1.2设计分析1、乙类功率放大器原理分析电路的工作原理图如图1所示。图1乙类OTL互补推挽电路原理图静态时要求两管无基极电流，即Ib=0，K点电位为Vcc/2，Vcei=Vcc/2, Vce2= Vcc/2。当 输入电压Ui正半周时，两管基极电位同时升高，T2管发射结反偏截止，T1发射结正偏导通， io1在Rl上得到正半周的输出电压vO；当输入电压Vi负半周时，两管基极电位Vb同时下 降，T1发射结反偏截止，T2发射结正偏导通，io2在Rl上得到负半周的输出电压VO,可见 两管都工作在射极输出组态。在无输入电压

3、Vi时，输出电压VO为零，两管都工作在乙类放大状态。当一只管子导通时另一只管子截止，又称为互补推挽电路。在讨论图1输出波形时，忽略了功放管发射结的门坎电压（对硅管约为0.6V，对错管约 为0.2V）。实际上输入电压必须大于门坎电压时才有射极电流输出，输入电压低于门坎电压 时没有射极电流输出，因此输出电压波形的正负半周交接处产生了失真，称为交越失真，如 图2所示。图2 交越失真电路图为了消除交越失真实际设计电路时采用图3电路，在图示电路中Q3为前置放大器，Q1 和Q2为互补对称放大器。R2与R3的作用在于为Q1和Q2提供一个合适的偏置，使在Ui=0 时，K点的点位为Vcc/2, D1和D2的加入

4、使得Q1和Q2在静态时处于微导通状态，从而消 除了电路的交越失真。静态时，K点电位为Vcc/2，电容被充电到Vcc/2。若电容足够大，则 在有信号输入时，可认为其上的电压保持不变，即相当于一个电压为Vcc/2的恒压源。Ui 负半周时Q2导通而Q1截止，Q2集电极回路的直流电源电压为Vcc/2。Ui正半周，V3导通， 而V2截止，Q2导电时依靠电容上的电压供电，Q2集电极回路的直流电源电压为-、/2。图3 消除交越失真的电路图30VR5 :rr9LR1zI Q1C2 iKirQ2Uo.2、设计要求当负载为8欧姆时，使输出波形在不失真的情况下输出功率至少达到0.5W，频率设置在低频范围内1K50K

5、hz左右。3、在multism里面的仿真与调试根据原理图在multisim里面进行电路的搭建，正确选择好电路元件后，其电路图形如图4所示。搭建好电路后按照设计要求对电路进行仿真调试。根据前面的电路分析，在multisim里进行仿真调试，在调试过程中，减小公6输出波形会产生截止失真，减小R3会产生平顶失真，增大R3会产生截止失真。调节R6与R3使当 输入信号为零时输出端直流电压为Vcc/2即可，此时静态满足要求。然后利用信号发生器输 入一个小信号，因为驱动负载一般为喇叭，其电阻一般选择8欧姆即可输出功率为0.5W左 右。根据已学知识可知输出功率Pomax=Vom2/2RL，则输出电压Vom应达到

6、2.8V左右。因此 调节输入信号电压当输入信号电压为23mv左右时，输出的Vom为2.83且波形不产生失真， 故能够满足要求。对于频率，当频率过小时输出端的电压会与输入端的电压产生相位差，而 当频率达到10K以上时相移较小，基本上可以忽略。若考虑到人耳能够听到的频率一般为 2020Khz，故所加频率也不能太大。按照上述分析设置仿真参数，信号发生器输入设置为23mv，频率为15Khz。设置好后， 点击示波器可观察到如图5所示的输出波形，其中红色线条代表输入端信号的大小，绿色 线条代表输出端信号的大小。Pomax=2.852/16=U.5U7W由此可看出电路大到了设计要求。2.2利用555设计信号

7、发生器（方波、三角波、正弦波）2.2.1 555芯片介绍555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，可以将输入的模拟信号变化 为一定的数字信号输出，因而广泛应用于生产实践的各个领域。它不仅用于信号的产生和变 换，还常用于控制和检测电路中。555定时器的电路如图6所示。它由三个阻值为5k欧的电阻组成的分压器、两个电压 比较器C1和C2、基本RS触发器、放电晶体管T、与非门和反相器组成。5K1图6555内部原理图分压器为两个电压比较器C1、C2提供参考电压。如5端悬空（也可对地接上0.01uF2 VccVcc左右的滤波电容），则比较器C1的参考电压为号，加在同相端；C2的参考电压为詈 加

8、在反相端。Vi1是比较器C1的信号输入端，称为阈值输入端；Vi2是比较器C2的信号输入端，称 为触发输入端。_可是直接复位输入端。当RD为低电平时，基本RS触发器被置0，晶体管T导通，输 出端u0为低电平。Vi1和Vi2分别为TH端和TR端的输入电压。当Vi12芋，Vi2V|C时，C1输出为 低电平，C2输出为高电平，基本RS触发器被置0，晶体管T导通，输出端V）为低电平。 当Vi12V，狄2管 时，C1输出为高电平，C2输出为低电平，基本RS触发器被置1， 晶体管T截止，输出端V）为高电平。当M11/3Vcc时，基本RS触发器状态 不变，电路亦保持原状态不变。555定时器的控制功能说明如表1

9、所示。表1555定时器控制功能表输入输 出THTRRdvoDisXXL导通 / VJ_CC 匕 VCCHH截止 K VCCH不变不变3 CC / VZ3 CC3 CCHL导通2.2.2函数信号发生器设计分析设计思路框图如图7所示:图7 设计思路框图如图8所示电路可同时产生方波、三角波、正弦波并输出。其中555定时器接成多谐振 荡器工作形式，C2为定时电容，C2的充电回路是R2-R3-RP-C2； C2的放电回路是C2- RP-R3IC的7脚（放电管）。由于R3+RPR2,所以充电时间常数与放电时间常数近似相等， 由IC的3脚输出的是近似对称方波。按图所示元件参数，其频率为1kHz左右，调节电位

10、器 RP可改变振荡器的频率。方波信号经R4、C5积分网络后，输出三角波。三角波再经R5、C6 和R6、C7积分网络，输出正弦波。C1是电源滤波电容。发光二极管VD用作电源指示。如 图4所示电路可同时产生方波、三角波、正弦波并输出。2.2.3各部分的工作原理1、多谐波振荡器工作原理用555定时器组成的多谐振荡器如图9（a）所示。接通电源后，电容C2被充电，当电 容C2上端电压Vc升到2Vcc/3时使555第3脚V。为低电平，同时555内放电三极管T导 通，此时电容C2通过R3、Rp放电，Vc下降。当Vc下降到Vcc/3时，V0翻转为高电平。 电容器C2放电所需的时间为：tpL= （ R3 +Rp

11、） C2ln2（1）当放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R3、Rp向电容器C2充电，Vc由Vcc/3上 升到2Vcc/3所需的时间为：tpH= 0.7（ R1+R3+ Rp） C2（2）（3）当Vc上升到2Vcc/3时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出 端就得到一个周期性的矩形波。电路的工作波形如图9（b），其震荡频率为：fT/(pH)=1-43/(R1+2R3+2Rp) C22、方波一三角波转换电路的工作原理RC积分电路如图10 (a)所示，是脉冲技术中常用的电路之一，该电路的时间常数t较大，一般取t=10tk。输入信号Ui如图10 (b)在t1时刻U0(ti)=0，

12、此后Ui向C充电，U0按指数规律上升；在t2t3其间，Ui=0电容C处于放电状态U0下降，在t3t4其间U0 又按指数规律上升，如此反复，就得到了近似锯齿波的输出电压，如图10(c)U0的波形， 矩形脉冲的占空比不同，输出电压的幅度也不同。显然，占空比越大，输出电压的幅度也就越接近输入信号的幅度E.图10(a)积分电路t1 t2 t3 t4图10(c)积分电路输入输出波形3、三角波一正弦波转换电路的工作原理滤波器原理图如图11所示。原理：采用低通滤波的方法将三角波变换为正弦波。所谓的低通滤波器就是允许低频信 号通过，而将高频信号衰减的电路，RC低通滤波器电路的组成如图所示。2.2.4电路的仿真

13、及数据计算multisim里面搭建的仿真电路图如图12所示。图12 仿真电路总图1、方波接线图如图12所示，示波器A道即红色线条引入的为多 谐振荡器输出端 信号。所得方波波形如图13所示。2、三角波接线图如图12所示，示波器B道即紫色线条引入的为 三角波输出端信 号。所得三角波波波形如图14所示。信号Time 2.062 s 2.067 s 5.517 e示波器B道即绿色线条引入的为切弦波波输 睥北 500 rnvyoivT图4三角Y position线图如图12TimebaseChanntjl BLevelTriggerEdge行足JScale 1 ms/DivX position DRev

14、erseCh3nriHl_AChmnnel_ 日577.361 mV-583.842 mV-1.161 VCh3nriHl_L： ChanneD所得正弦波波形如图所示multisim电路仿真实验数据如表2所示。表2电路仿真波形参数表周期T频率f三角波峰值Vp正弦波峰值Vp方波峰 值Vp三角波峰峰值Vp-p正弦波峰峰值Vp-p方波峰峰值Vp-p1.03ms998Hz577.316mv5.652mv5.982v1.161v11.587mv12.005v电容 C1 的放电时间由(2)式可得：T1=(R5+Rp)C1ln2 0.7(R5+Rp)C2 代入数据可得T1=490us。电容C充电时间由(1)

15、式可得：T2=(R1+R5+Rp)C1ln2e0.7(R1+R5+Rp)C2,代入数据可 得 T2=497us 。故电路的振荡频率由(3)式可得：f=1/(T1+T2)e1.43/(R1+2R5+2Rp)C2，代入数据 可得 f=1056HZ。则输出波形占空比为：q(%)= T2/(T1+T2) X100%50%o3、设计总结在本次CDIO项目设计中主要进行了乙类互补推挽功率放大器的设计和555函数信号发 生器的设计，通过利用multisim的仿真，仅以不加深了自己对所学知识的的理解，如功率 放大器设计是需要考虑的问题，以及如何进行各个元件的选择与计算，懂得了功率放大器的 作用，乙类互补推挽放大器与其他不同放大器的区别，明白了其消除交越失真的原理，对其 功率的计算进行了进一步的学习。在利用555芯片设计函数信号发生器时，通过查阅资料知 道了电路的组成以及电路各部分的作用及其应用的原理，也对555芯片的内部结构有了进一 步的认识，能够把课本当中的知识真正融入自己的设计过程中。设计信号发生器时多谐波振 荡器产生方波，它是三角波与正弦波产生的基础。对于积分器，低通滤波器的作用通过本次 设计有了更直观的认识。此外通过仿真对multisim软件的应用更加熟悉与灵活。总之，在本次CDIO项目设计过程中多自己的实践能力有了进一步的提升，也通过与小 组人员的讨论，懂得了团队沟通与