模电课程设计报告OCL功率放大器设计.doc

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1、 电子信息工程专业模电课程设计报告班 级 B电子062 学 号 0610620206 姓 名 设计时间 _指导老师 盐城工学院信息学院2008年10月29日目 录第一章 课设设计目的与要求.1 11 OCL功率放大器.1 12 性能指标.1第二章 各部分电路设计.2 21 直流稳压电源.2 22 差分放大电路.2 23 复合管放大电路.2 第三章 总体电路.3. 31总体电路分析及工作原理.5 32 设计总结.6参考文献.7 前言摘要: 放大电路实质上都是能量转换电路。从能量控制的观点来看，功率放大电路和电压放大电路没有本质的区别。但是，功率放大电路和电压放大电路所要完成的任务是不同的。对电压

2、放大电路的主要要求是使其输出端得到不失真的电压信号，讨论的主要指标是电压增益，输入和输出阻抗等，输出的功率并不一定大。而功率放大电路则不同，它主要要求获得一定的不失真（或失真较小）的输出功率，因此功率放大电路包含这一系列在电压放大电路中没有出现过的特殊问题，这些问题是：(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

3、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。例如，在测量系统和电声设备中，这个问题显得很重要，而在工业系统等场合中，则以输出功率为主要目的，对非线性失真的要求就降为次要问题了。 (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。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

4、可能性也就比较大，所以功率管的损坏与保护问题也不容忽视。OCL功率放大器是一种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。采用两组电源供电，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功放电路也是定压式输出电路，为钏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。性能优良的集成功率放大器给电子电路功放级的调试带来了极大地方便。为了培养学生的设计能力，本课题主要采用分立元件电路进行设计。一、课程设计任

5、务及要求1、设计指标采用全部或部分分立元件设计一种OCL音频功率放大器；额定输出功率；负载阻抗；失真度；设计放大器所需的直流稳压电源。2、设计要求画出电路原理图（或仿真电路图）；元器件及参数选择；电路的仿真与调试；分析设计要求，明确性能指标；查阅资料、设计方案分析对比。3、制作要求论证并确定合理的总体设计方案，绘制结构框图。4、OCL功率放大器各单元具体电路设计。总体方案分解成若干子系统或单元电路，逐个设计，计算电路元件参数；分析工作性能。5、完成整体电路设计及论证。6、编写设计报告 写出设计与制作的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。二、总体方案设计1、设计思路功率放大器的作用是给负载R

6、l提供一定的输出功率，当Rl一定时，希望输出功率尽可能大，输出信号的非线性失真尽可能小，且效率尽可能高。由于OCL电路采用直接耦合方式，为了保证工作稳定，必须采用有效措施抑制零点漂移，为了获得足够大的输出功率驱动负载工作，故需要有足够高的电压放大倍数。因此，性能良好的OCL功率放大器应由输入级，推动级和输出机等部分组成。2、 OCL功放各级的作用和电路结构特征（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（音调控制级）送来的信号作用低失真，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） 推动级作用是获得足够高的电压放大倍数，

7、以及为输出级提供足够大的驱动电流，为此，可采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） 输出级的作用是给负载提供足够大的输出信号功率，可采用有复合管构成的甲乙类互补对称功放或准互补功放电路。此外，还应考虑为稳定静态工作点须设置交流负反馈电路，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，在组装完毕后须进行静态和动态测试，在波形不失真的情况下，使输出功率最大。动态测试时，要注意消振和接好保险丝，以防损坏元器件。三、 单元电路的选择与设计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

8、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。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

9、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，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

10、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，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。以NPN管为例，其工作原理是：(1) 发射结向基区扩散载流子，形成发射极电流 IE(2) 载流子在基区扩

11、散与复合，形成复合电流IBN(3) 集电区手机载流子，形象横集电极电流 ICBJT共射极连接时的V-I特性曲线 （1） 输入特性 上图是NPN型硅BJT共射极连接时的输入特性曲线。图中示出了VCE分别为0V,1V三种情况下的输入特性曲线。因为发射结正偏，所以BJT的输入特性曲线与半导体二极管的正向特性曲线相似，但随着VCE的增加，特性曲线向右移动。即当VBE一定时，随着VCE的增加，IB将减小。 （2） 输出特性上图是NPN型硅BJT共射极连接时的输出特性曲线。图中BJT有三个工作区域：放大区、饱和区和截止区。(1) 放大区：在截止区以上，介于饱和区与击穿区之间的区域为放大区。在此区域内，特性

12、曲线近似于一簇平行等距的水平线，iC的变化量与iB的变量基本保持线性关系，即iC=iB，且iC iB。VBE对iC的影响由基区宽度调制效应产生，即VBE增加时，基区有效宽度减小，载流子在基区的复合机会减少，使电流放大系数略有增加，在保持iB不变的情况下，iC将随VBE的增大而略有增大。 在放大区，三极管的发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置状态。（2）饱和区：指绿色区域。在此区域内，对应不同iB值的输出特性曲线簇几乎重合在一起。也就是说，VBE较小时，iC虽然增加，但iC增加不大，即iB失去了对iC的控制能力。这种情况，称为三极管的饱和。饱和时，三极管的发射给和集电结都处于正向偏置状态。三极

13、管集电极与发射极间的电压称为集一射饱和压降，用VCES表示。VCES很小，通常中小功率硅管VCES0.5V；三极管基极与发射极之间的电压称为基一射饱和压降，以VCES表示，硅管的VCES在08V左右。（3） 截止区：指IB=0的那条特性曲线以下的区域。在此区域里，三极管的发射结和集电结都处于反向偏置状态，三极管失去了放大作用，集电极只有微小的穿透电流IcEO。2、确定工作电压为了达到输出功率10W的设计要求，同时使电路安全可靠地工作，电路的最大输出功率P应比设计指标大些，一般取P（1.52）P。即本设计中电路的最大输出功率应按68W来考虑。 由于是 P=U因此，最大输出电压为 U=考虑到输出功

14、率管V2，V4的饱和压降和发射极电阻R10，R11的压降，电源电压常取 V=（1.21.5）U3、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

15、会影响复合管的稳定性,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。

16、其中V8，V9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。四、总电路图及其工作原理工作原理：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

17、极直流电信分开，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

18、正半周电流i通过，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。五、总结课设的过程是艰辛的，但是收获是巨大的。首先，我们再一次的加深巩固了对已有的知识的理解及认识；其次，我们第一次将课本知识运用到了实际设计，使得所学知识在更深的层次上得到了加深。再次，因为这次课程设计的确在某些方面存有一定难度，这对我们来讲都是一种锻炼，培养了我们自学、查阅搜集资料的能力；再有，计算操作过程中，我们曾经面临过失败、品味过茫然，但是最终我们还是坚持下来了，这就是我们意志、耐力和新年上的胜利，在今后的日子里，它必将成为我们的宝贵财富。参考文献：1. 陆 坤 张义中电子科技大学出版 1998.102. 张飞碧 项 钰机械工业出版社 2004.73. 陈永莆电子工业出版社 2000.14. 何希才科技出版社5. 张英全 刘芸 樊爱华机械工业出版社