OCL功率放大器设计分析.doc

设计题目：OCL功率放大器设计 姓 名： 学 号： 班 级： 14级 专 业： 电子信息工程 设计时间： 2016 2016年 7 月 4 日15 目录概述3一、任务及要求：41.设计任务42.设计要求4二总体方案设计41.设计思路42. OCL功放各级的作用和电路结构特征4三单元电路的选择及设计51、设计方案52、设计选择5 (1)设计一个放大器所需要的直流稳压电源5(2)差分放大电路电路图6(3)复合管放大电路电路图7(4) 的倍增电路电路图7四.总体电路图9五元器件参数的选择：10a.确定工作电压10b.功率输出级的设计：11c.推动级（V4）的设计12d.输入级的设计13六、总结与体会15概述(1)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。对电压放大电路的主要的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：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。效率更高 (2)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。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。 (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，所以功率管的损坏与保护问题也不容忽视。(6)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。一、任务及要求：1.设计任务(1)全部或部分分离原件 (2)额定输出功率=2W(3)负载电阻=8(4)失真度3%(5)设计放大器所用直流稳压电源2.设计要求(1)画出电路原理图(2)元器件及参数选择(3)电路的仿真及调试二总体方案设计1.设计思路功率放大器的作用是给负载提一定的输出功率，当定时，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，推动级和输出级部分组成。2. OCL功放各级的作用和电路结构特征输入级：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。推动级的用是获得足够高的电压放大倍数，以及为输出级提供足够大的驱动电流，为此，可采用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。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。三单元电路的选择及设计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。2、设计选择(1)设计一个放大器所需要的直流稳压电源又 则可以得出=17V24V,此时取=20V.该直流稳压电源的图形如图所示：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 差分放大电路在性能放大那个面有许多优点，是模拟集成电路的又一重要组成部分。上图时用两个特性相同的三端器件V1、V2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回路上，如图中体现了射极耦合的作用。 (3)复合管放大电路电路图 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。(4) 的倍增电路电路图 的倍增电路交越失真：电子学名词，是指放大电路中，输出信号并非输入信号的完全、真实的放大，而是多多少少走了样，这种走样即是失真,引起失真有多种. 我们在分析时，是把三极管的门限电压看作为零，但实际中，门限电压不能为零，且电压和电流的关系不是线性的，在输入电压较低时，输出电压存在着死区，此段输出电压与输入电压不存在线性关系，产生失真。这种失真出现在通过零值处，因此它被称为交越失真。 由于晶体管的门限电压不为零，比如硅三极管，NPN型在0.7V以上才导通，这样在00.7就存在死区，不能完全模拟出输入信号波形，PNP型小于-0.7V才导通，比如当输入的交流的正弦波时，在-0.70.7之间两个管子都不能导通，输出波形对输入波形来说这就存在失真，即为交越失真。 我们克服交越失真的措施是：避开死区电压区，使每一晶体管处于微导通状态，一旦加入输入信号，使其马上进入线性工作区可以给互补管一个静态偏置。此时我们利用二极管和电阻的压降产生偏置电压从而克服交越失真.四.总体电路图1.工作原理简单介绍：（1）用差分放大输入级抑制零漂，如前所述，为了使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（，）。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。（3）R7，V8，V9为功放管提供静态偏置，防止交越失真，把V4，V5基极直流电信分开，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。（4）R5，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。（5）R16，C6称中和电路，防止由于感性负载而引起高频自激。（6）R4，C2是差动放大器的电源滤波电路。（7）C4是自举电容，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， 也为正半周，则V4，V6复合管导通，信号放大后经R14，地，返回V4，V6形成回路，在负载上有放大了的正半周电流通过，其方向如图中的实线所示。同理可知负半周上的通过，如图中虚线所示。这样轮流推挽工作，在上就获得功率放大后的完整信号。五元器件参数的选择：a.确定工作电压 为了达到额定输出功率=8W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应比设计指标大些，一般取。 又 又考虑到输出功率管V2，V4的饱和压降和发射极电阻R10，R11的压降，电源电压常取 同直流稳压电源一样取=20V。b.功率输出级的设计： 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，则有：1.每个晶体管的最大集电极电流为，2.承受的最大反向电压，3.每个晶体管的最大集电极功耗为, 选 查阅手册选取3DD5B 选择(R11+R12)=R13= =（510）（10+51*0.5） =选择R13=220选择R11=R12=110。 查表得到， 3DK4A(NPN) 3CG4A(PNP) c.推动级（V4）的设计 为保证对后级有足够的驱动电流 则有： 又因为 R7，V8，V9为功放管提供静态偏置，而V8，V9补偿功放管的温度特性， 这里R7与R8只是起限流保护电路的作用，其参数的选择一般不会对电路造成较大的影响，则可以选取R7=R8=100.直流稳压电源中器件参数的配置见图中表示d.输入级的设计 当该电路中所需的频率范围为20HZ20KHZ,并且假定该信号源信号电压不超过100mV.六、总结与体会 通过这段时间的学习,然我有所进步.不过通过不断的努力,我最终完成了任务.刚开始我借来了一份高保真音频功率放大器的电路原理图，但离实际应用差距较大，有些器件很难找到，后来到网上搜索了一下相关内容，顺便到学校图书馆借相关书籍，经过不断比较与讨论，最终敲定了高保真音频功率放大器的电路原理图，并且询问了兄弟班关于元器件的参数情况。为下步实物连接打好基础。在做电路仿真时，我画好了电路原理图，修改好参数后，创建网络列表时系统总是报错,无论我怎样修改都不行，后来请教同学，他们也遇到了同样的困惑。任何事情都不可能是一帆风顺的，开始是创建网络表时出现问题，后来是没有差错但出来的仿真波形不是预计中的，这确实很难修改。输出时仿真波形总是一条直线，我弄了一晚上也找不出原因，整个人也显得焦躁不已。接下来，开始了我们的实物焊接阶段。之前的电工实习让我简单的接触到了焊接实物，以为会比较轻松，但实际焊接起来才发现此次与电工实习中的焊接实物有很大的不同，要自己对焊板上元件进行布置和焊接电路元件连线，增加了很大的难度。由于采用了电路板，为了使步线美观、简洁，还真是费了我们不少精力，经过不断的修改与讨论，最终结果还比较另人满意。经过这段课程设计的日子，我发现从刚开始的Matlab到现在的Pspice，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。通过学习,我们都提高了.我想我们都在进步.在此要感谢帮助过我的老师和同学.相信通过努力,我们都会提高.