OTL功率放大器.doc

1 CDIO设计目的
（1）熟练掌握功率放大器的电路组成及其特性。
（2）保证安全、高效、小失真的情况下，输出所需功率。
（3）熟练掌握用555芯片设计信号发生器，掌握555芯片的电路组成。
（4）掌握方波、三角波、正弦波之间波形变换原理及电路组成。
2 CDIO设计正文
2.1功率放大器
2.1.1乙类互补推挽功率放大电路
（1）工作原理
T1 与 T2功率管互补配对，在一个周期内T1 与 T2轮流导通，通过 RL 的电流iL = iE1 – iE2 ，合成完整的正弦波。 原理图如图1所示。
图1 乙类互补推挽原理电路

①静态分析
vi = 0V , vo = 0V, T1、T2均不工作。 
②动态分析
vi>0V  , T1导通，T2截止 ,  io= ic1 ；
vi<0V ,  T1截止，T2导通 ,  io=-ic2  。
（2）电路特点
①晶体管的静态电流等于零。
②电路的静态功耗为零，能量转换效率高。
③存在交叉失真。
（3）性能分析
乙类工作时，T1与T2轮流导通，其图解分析如图2所示。
图 2 互补推挽图解分析

正负电源总的直流功率：
PD = PD1 + PD2 = 2VccIco = 2VccIcm/p
①充分激励
令 VCE(sat) = 0，ICEO = 0，则 Vcm = VCC，Icm = VCC/RL，则

乙类功放的最大集电极效率

② 激励不足
Vcm 减小，引入电源电压利用系数 x 表示 Vcm的减小程度。
定义　　 x = Vcm/VCC,则
输出功率：
直流电源提供功率：
集电极效率：

时最大，其值为

功放性能随 x 变化的特性：　　
x小时，PD 、Po 、 hC 小；
x 接近 1 时，PD 、Po 、hC 大。
结论：
a.PC 非单调变化，两头小，中间大；
b.PD 随 x (激励)线性增大，与甲类(不变)不同。
其变化特性如图3所示。

图 3 Po 、 PD 、 PC随 x变化的特性

(4)安全条件
安全工作条件：

PC1max = PC2max = 0.2Pomax < PCM

取其中的小值检查二次击穿。
(5)设计要求
设计功率放大电路时，必须做到：
①在电路组成上，采用避免管外电路无谓消耗直流功率的结构。
②在工作特性上，输出负载、输入激励和静态工作点三者必须有一个最佳配置；合理选择功率管的运用状态。
2.1.2仿真电路
设计OTL功率放大器，该电路含推动级，输入信号取100mv,频率取3KHz。经一级放大电路将输入电压放大后，再通过OTL功率放大器，为减小失真，功率放大电路中包含二极管偏置电路。其仿真图如图4所示。
图4 OTL功率放大器

2.1.3 仿真结果
其仿真结果如图5所示。

2.1.3 仿真结果
图5 输出电压波形

仿真波形如图5所示，经电压放大和功率放大后，输出电压将近8V，此时
Po=Vcm ²/2RL≈3.2W
PD=VccIcm/π=VccVcm/πRL≈7.6W
ηc=Po/PD≈42.1％
分析可得，输出功率将近3.2W，符合要求，但集电极效率没有达到最大，输出波形存在失真，说明电路仍存在需要改进的地方。
2.2 555信号发生器
函数信号发生器的设计以555定时器组成的多谐振荡器为核心。主要思路是多谐振荡器在接通电源后能自行产生矩形波，方波通过积分电路将转变为三角波，三角波再经低通滤波网络转变为正弦波，
2.2.1 555的电路组成
555定时器是一种多用途的数字—模拟混合集成电路，可以方便地构成单稳态触发器，施密特触发器和多谐振荡器。双极型产品型号最后数码为555，CMOS型产品型号最后数码为7555。其功能和外部引脚完全相同。其引脚分布图如图6所示。
图6 555 定时器的引脚示意图

图7 555内部电路结构

555内部电路结构如图7所示，其中，各部分组成如下。
（1）分压器
①5脚悬空时，UR1=2/3Ucc,UR2=1/3Ucc；
②5脚外接控制电压UCO时， UR1=Uco,UR2=1/2Uco 。
注：当5脚不加控制电压时，通常经过一个0.01µF的电容接地，以抑制干扰。
（2）电压比较器
U+≥U-时，Ci＝1；
U+＜U-时，Ci＝0。
表1 基本RS触发器功能表
（3）基本RS触发器

R S
Qn+1
0 0
不定
0 1
0
1 0
1
1 1
Qn
（4）放电三极管
VT是一个集电极开路的放电三极管。

当uO＝0时，VT导通；
当uO＝1时，VT截止。
表2 555定时器功能表
其功能表如表2所示。

输入
输出
阈值输入(u6)
触发输入(u2)
复位(RD)
输出(VO)
放电管T
×
×
0
0
导通
<2/3Vcc
<1/3Vcc
1
1
截止
>2/3Vcc
>1/3Vcc
1
0
导通
<2/3Vcc
>1/3Vcc
1
不变
不变
2.2.2 555构成多谐振荡器
接通VCC后，VCC经R1和R2对C充电。当uc上升到2VCC/3时，uo=0，T导通，C通过R2和T放电，uc下降。当uc下降到VCC/3时，uo又由0变为1，T截止，VCC又经R1和R2对C充电。如此重复上述过程，在输出端uo产生了连续的矩形脉冲。其电路组成及其工作原理分别如图8、图9所示。由此可分别求得
振荡周期：T = 0.7（R1+2R2）C
振荡频率：
占空比：
图8 555构成多谐振荡器

图9 多谐振荡器工作原理

2.2.3 方波、三角波、正弦波之间波形变换
555构成的多谐振荡器，其通过不同支路对电容进行充放电，从而可以产生方波，再由方波经过转换电路可以转换成三角波、正弦波，其整体框图如图10所示。由方波变换为三角波可通过积分电路，如图11所示。通过低通滤波器即可变换为正弦波，原理图如图12所示。
正弦波
低通滤波
三角波
积分电路
方波
多谐振荡器

图10 波形转变框架图

图12 低通滤波
图11 积分电路

2.2.4仿真电路
由555芯片设计构成的多谐振荡器，其通过不同的支路分别对电容进行充放电，可以生成方波，再分别经过积分电路及低通滤波器后可得三角波及正弦波。其实验仿真图如图13所示。
图13 555构成的波形发生器仿真电路

2.2.5仿真结果
经仿真可得方波、三角波、正弦波分别如图14、图15、图16所示。
图14 由555信号发生器产生方波

图15 由555信号发生器产生三角波

图16 由555信号发生器产生正弦波

由仿真波形可得数据如表3所示。
表3 仿真结果
仿真波形
周期
峰峰值
矩形波
130.979us
2.500v
三角波
130.979 us
71.864mv
正弦波
130.979 us
1.135mv
所得数据符合设计要求。
3 设计总结
自CDIO开设以来，一年的时间内，我们已完成基本放大器的设计。此次，我们又完成了功率放大器的设计及由555芯片设计的信号发生器。通过仿真实践，我对电子线路有了更深程度的理解，也对我们专业有了更深一步的认识。
此次设计乙类功率放大器，困难重重。起初，不是波形失真，就是输出功率达不到要求。经过各方面搜集资料，才终于完成了乙类功放的设计，但是集电极效率没有达到最高，仍有待提高。通过设计乙类功放，我对功率放大器有了更深一步的认识，也意识到学以致用的重要性。尤其是我们现实生活中，我们身边各种电器，我们只会简单操作使用，却不能理解它的原理，作为信息专业的一名学生，我深感惭愧。
在数字电子技术中接触555定时器，此次利用555芯片设计信号发生器。起初，知识与能力有限，只产生了方波，积分电路方面存在一定的障碍。通过在老师那里学习，我又对积分电路及低通滤波方面进行了学习，对其有了更深程度的了解。也重新设计了电路，产生了三角波及正弦波。
一年的专业基础课学习，我对我们专业也开始有了明确的方向。学习的过程中，需要我们有严谨的求学态度，认真是我们不可或缺的品质，坚持是我们必备的素质。除了学习书本上的知识，自学也是我们应该具有的能力，我们要充分利用课余时间，多了解与专业学习有关的知识。也要更多的注重实践，把学习与实践结合起来，把学到的知识与生活中的实例结合起来，这样才有助于我们更好的掌握所学的知识。
大学，在不知不觉间已走过了两年，不就的将来，我们就要各奔前程。我相信，努力了就一定有收获。获取知识的路上我们难免犯错，但只要我们不气馁，不放弃，成功一定属于我们。作为信息专业的一名学子，求真务实是我坚守的原则，我会始终严格要求自己，更好的掌握知识，更多的运用于实践，努力地提升自己。
在此，也感谢老师的辛勤教诲与同学的热心帮助。
4 参考文献
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[3] 杨欣等. 电路设计与仿真[M]. 北京: 清华大学出版社, 2001,（04）：10-70.
[4] 任晓光. 集成555定时器及其应用[J]. 电大理工 , 2004,(03) .
[5] 颜恒斌, 张玉洁. 探讨MultiSim仿真软件在电工实验中的应用[J]. 科技信息(学术研究) , 2008,(26) .
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评 语

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成 绩

指导教师
（签字）

年 月 日

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