OCL功率放大器的设计方案报告.doc

课程设计汇报

题 目： 由集成运放和晶体管组成OCL
功率放大器设计

学生姓名： 郭二珍
学生学号： 100827
系 别： 电气学院
专 业： 自动化

届 别：
指导老师： 廖晓纬

电气信息工程学院制
3月

OCL功率放大器设计
学生：郭二珍
指导老师：廖晓纬
电气学院10级自动化

1、 绪论
功率放大器(简称功放)作用是给音频放大器负载RL(扬声器)提供一定输出功率。当负载一定时，期望输出功率尽可能大，输出信号非线性失真尽可能地小，效率尽可能高。
OCL是英文Output Capacitor Less缩写，意为无输出电容功率放大器。采取了两组电源供电，使用了正负电源。在输入电压不太高情况下，也能取得较大输出频率。省去了输出端耦合电容，使放大器频率特征得到扩展。OCL功率放大器是一个直接耦合功率放大器，它含有频响宽、保真度高、动态特征好及易于集成化等特点。性能优良集成功率放大器给电子电路功放级调试带来了极大方便。集成功率放大电路还含有输出功率大、外围元件少、使用方便等优点，所以在收音机、电视机、扩音器、伺服放大电路中也得到了广泛应用。
功率放大器可分为三种工作状态：(1)甲类工作状态Q点在交流负载中点，输出是一个没有削波失真完整信号，但效率较低。(2)乙类工作状态Q点在交流负载线和IB=0输出特征曲线交界处，放大器只有半波输出，存在严重失真。 (3)甲乙类工作状态Q点在交流负载线上略高于乙类工作点处，克服了乙类互补电路产生交越失真，提升了效率。
所以，本设计可采取甲乙类互补电路。

2、内容摘要
本设计中要求设计一个由集成运放和晶体管组成OCL功率放大器。在输入正弦波幅度Ui等于200mV，负载电阻RL等于8Ω条件下最大输出不失真功率Po≥2W，功率放大器频带宽度BW≥80Hz~10KHZ
功率放大电路实质上是能量转换电路，它关键要求输出功率尽可能大，效率尽可能高，非线性失真尽可能要小，功率器件散热很好。
本设计选择是双电源供电OCL互补推挽对称功放电路。 
此推挽功率放大器工作状态为甲乙类，其目标是为了降低“交越失真”。  
因为两管工作点稍高于截止点，所以全部有一很小静态工作电流ICQ。 这么，便可克服管子死区电压，使两管交替工作处负载中电流能按正弦规律改变，从而克服了交越失真。 
  OCL互补推挽对称功放电路通常包含驱动级和功率输出级，前者为后者提供一定电压幅度，后者则向负载提供足够信号频率，以驱动负载工作。 
所以，需要设计两部分，即驱动级和功率输出级。

一、 设计题目及要求

1. 设计题目
由集成运放和晶体管组成OCL功率放大器设计
2. 设计要求（任务）：
用一片集成电路芯片和若干个晶体管设计一个OCL功率放大器
关键技术指标：
（1）输入信号：有效值Ui≤200mV；
（2）最大输出功率：PO≥2W；
（3）负载电阻：RL=8Ω；
（4）通频带：BW=80 Hz -10K Hz；
二、设计思绪和步骤
设计一个功率放大电路。电路关键由两大部分组成，即驱动级和输出级，驱动级假如采取分立元件，其内部电路较为复杂，它由输入级、中间级、输出级及偏置电路四部分组成，这么会加大计算难度且不易在实际工程中使用。所以，本电路采取集成元件实现。
集成运算放大电器是一个直接耦合多级放大电路，含有放大倍数高、输入电阻高、输出电阻低特点，为后面电路提供足够电压幅度。

设计通常步骤：首先，依据题目标分析确定目标，设计整个系统是由哪些模块组成，各个模块之间信号传输，并设计OCL功率放大器初步电路图。并考虑要用到元器件有哪些？
其次，对系统进行分析，依据系统功效，选择各模块所用电路形式和其含有功效。
然后，进行参数选择和确定，依据系统指标要求，确定各模块在电路中元件参数。
最终，得出总电路图，连接各模块电路，并进行仿真和调试，数次反复得出正确结果。
三、 整体电路框图
OCL互补对称功放电路通常包含驱动级和功率输出级，前者为后者提供一定电压幅度，后者则向负载提供足够信号频率，以驱动负载工作。
输入交流信号
驱动级
运算放大器电路
负反馈电路
末级功放电路OCL互补对称功放电路
输 出
保护电 路
输出级
偏置电路
3.1.1电路整体结构框图

四、 电路图和电路分析
4.1 基础反向运算放大电路 （驱动级）
从集成运放符号看，能够把它看作是一个双端输入、单端输出、含有高差模放大倍数和抑制温度漂移能力放大电路。运算放大器可用下图所表示符号来表示，它有5个引出脚，其中5、6为两个信号输入端，2、7为正、负电源端，1为输出端。5为反相输入端，表示运放输出端Vo信号和该输入端相位相反；6为同相输入端，表示运放输出端Vo信号和该输入端相位相同.它在电路图中可组成反向百分比运算电路。

4.1.1集成运放电路
如上图4.1.1所表示输入电压经过R1作于运放反向端,R3跨接在运放输入端和反向端之间，同相端接地。
由“虚断”、“虚短”、“虚地”概念可求出其电压增益：
v i/R1=_-v0/R3 Av=u0/ui=-R3/R1
由上图中数据计算得其放大倍数
Av=u0/ui=-R3/R1=600/10=60倍
集成运放仿真图以下

4.1.2集成运放仿真电路图

1) 若输入信号Ui=200mv，频率=100HZ正弦波时

可得以下波形图

4.1.3仿真波形图
由以上波形图可知
通道A电压有效幅值为200mv，通道B电压幅值为100v
放大倍数Av=100/0.2=500倍
经过调整通道B电压值可得到不一样电压放大倍数。
2) 点击幅频按钮能够在波特图观察窗口显示幅频特征曲线

4.1.4频率特征曲线图
3) 点击相频按钮能够在波特图观察窗口显示相频特征曲线 

4.1.5相频特征曲线图
4.2 OCL互补对称电路
1） 双电源供电;
2） 输出端不加隔直电容。
C作用：隔直通交；储存电能，替换一个电源。

4.2.1消除交越失真多级OCL电路

其仿真电路图以下

4.2.2多级放大OCL仿真电路图
调整RP2=50%时，其波形图以下：

4.2.3仿真波形图

将上图两二极管短路，其仿真电路图以下：

4.2.4二极管短路仿真电路图
其波形图为

4.2.5二极管短路仿真波形图

观察波形图可知当二极管被短路时，电路将出现较为严重失真现象。
由此能够看出利用二极管进行偏置互补对称电路能够克服电路失真现象。
3） 静态分析
工作原理
三极管Q1和Q2为NPN型管和PNP型管，Q1、Q2组成互补输出级。
静态时，在D3、D4上产生压降为Q1、Q2提供了一个合适偏压，使之处于微导通状态。因为电路对称，静态时ic1=ic2,iL=0,v0=0。而当有信号时，因为电路工作在甲乙类，即使vi很小，基础上可线性地进行放大。
动态时，当信号处于正半周时，Q2截止，Q1负担放大任务，有电流经过负载RL。而当信号处于负半周时，Q1截止，Q2负担放大任务，仍有电流流过负载RL。这么就能实现静态时两管不导电，而有信号时Q1、Q2轮番导电。
静态时支路电流可由下式计算：
I0=(VCC+VSS-2VD)/(R4+RB+R6)
式中，为二极管正向导通压降。
为了降低静态功耗和克服交越失真，静态时Q1、Q3应工作在微导通状态，即满足下列关系：
VD1+VD2=VB1+VBE2
称此状态为甲乙类状态。二极管、和三极管Q1、Q2应为同类型半导体材料，如、为硅二极管2N3094和2N3096，则Q1、Q3应为硅三极管。RP2用于调整复合管微导通状态，其调整范围不能太大，通常采取几百欧姆或1K电位器，安装电路时首先应使RB阻值为0，在调整输出级静态工作电流或输出波形交越失真时再逐步增大阻值。不然会因为RP2阻值较大而使复合管损坏。
4） 静态工作点设置
为预防输出端和负载RL直接耦合，造成直流电流对负载影响，输出端静态电位必需为零。若输出端电位不为零，可能会造成负载发烧等一系列问题，处理方法是在输出端加电容。
假设参数完全对称,静态时功放输出端UO对地电位应为0，Uo=0,输出点称为“交流零点”。
Q1、Q2工作在乙类状态，输出信号会出现失真，过大会增加静态功耗使功放效率降低。综合考虑，对于数瓦功放，通常取=1mA~3mA，以使Q1、Q2工作在甲乙类状态。
5) 参数计算
电源电压确实定
(1)交流电源200mV由示波器提供。
(2)直流电源电压计算：
电源电压高低，决定着输出电压大小，而输出电压又由输出功率决定，所以指标给定了输出功率，即可求出电源电压：
因为
所以输出电压最大值VOM=2*PO*RL取绝对值,此次试验选择VCC=+12V,VSS=-12V。
(3) 若取静态电流，由下式：
I0=(VCC+VSS-2VD)/(R4+R6+RB)
得R4+R6+RB=(24-1.4)/1mA=22.6k
R4=(VCC-VBE1)/I0=(12-0.7)/1mA=113K
由电路对称性取R4=R6=11K,RB为1K电位器，用于调整电路失真波形。
由工程经验知： R8和R12用于降低复合管穿透电流，提升电路稳定性，通常为几十欧姆到几百欧姆。R13、R14为负反馈电路，能够改善功放性能，通常为几欧姆。R7、R9称为平衡电阻，使1T、3T输出对称，通常为几十欧姆至几百欧姆。
6）元器件清单
元器件名称
元器件名称
元器件参数
数目

电阻
R1
10K
1
R3
600K
1
R4、R6
11K
2
RP2
500
1
RL
8
1
R10
10K
1
R7、R9
100
2
R8、R12
240
2
R13、R14
1
2

电容
C2
1uF
2
C3
15uF
1
二极管
D3、D4
1N5399
2

三极管
Q1
2N3904
1
Q2
2N3096
1
Q3、Q4
2N2222
2
运放
3554AM

1
4.2.6元件列表
用到仿真设备有：函数信号发生器、瓦特表、示波器、波特图仪。
7）本设计电路总体设计图以下
这是由集成运放和晶体管组成OCL功放电路以下图所表示。其中运放为驱动级，晶体管Q1-Q4组成复合式晶体互补对称电路。

4.2.7总电路图

由电路图可知，本设计采取集成运放作为驱动级OCL功率放大电路，是由输入级、驱动级、输出级及偏置电路组成。输入级由C2和R10组成，驱动级采取集成运放,输出级由双电源供电OCL互补对称电路组成。为了克服交越失真，由二极管和电阻组成输出级偏置电路，以使输出级工作于甲乙类状态。为了稳定工作状态和功率增益并减小失真，电路中引入反馈。该放大电路采取复合管无输出耦合电容，并采取正负两组双电源供电。

五、 电路仿真和调试
1） 总仿真电路图以下

5.1.1总仿真电路图
2）当输入频率为100Hz，有效值为141mv正弦波时

（1）双击示波器按钮可得以下波形图

5.1.2仿真波形图
（2）双击瓦特表可得输入功率和输出功率以下

5.1.3功率示数表

由瓦特表上示数可计算出其功率放大倍数为
Po/Pi=(2326*1000000)/970.665=2400000
由计算可知其功率放大倍数很大，为输入功率2400000倍。

(3）在确保输入信号Ui大小不变条件下，改变信号发生器频率，用交流毫伏表测出U0=0.707Uom时，所对应放大器上限截止频率fL和下限截止频率fH分别为fL=71.444HZ，fH=58.729KHZ。

点击幅频按钮可得以下幅频特征图

5.1.4幅频特曲线性图

六、 PROTEL画图和PCB板制作
Protel画图具体步骤：
（1首优异入protel99，并新建一个设计数据库Mydesign.ddb，选择Schematic.Document来创建一个电路原理图设计文件sheet1.ddb。双击sheet.ddb进入原理图设计主界面。
（2）a 元件库管理器
b 放置元件
c 编辑元件属性
d 元件调整（如：移动、旋转、复制、删除）
移动：Space键：让元件作90°旋转；
X键：元件左右对调。
Y键：元件上下对换。
e 元件连线
绘制导线、放置节点、放置电源和接地符号、放置I/O端口
f 原理图电气规则检验
g 报表生成及原理图输出
假如有错误要检验原理图并更正其错误。
下图是用protel画原理图：

6.1.1原理电路图

Protel制PCB板步骤
（1）创建PCB文件
在PCB document里创建PCB文件
（2）熟悉PCB里部分常见元件和相关名词如板层，板框，飞线。铜模走线，焊点，导孔等。
（3）熟悉工具条
（4）制作PCB板
a 定义边框；
b 加载网络表；
c 摆放元件；
d 自动布线；
e 修改边框；
f 手动修改导线；
g 放置汉字标志等。
下图为PCB板电路图：

6.1.2 PCB板图

七、小结
经过这次OCL功率放大器设计，我对以前所学电路和模电知识有了更深层次了解和巩固，并学会了使用Multisim软件，对电路进行仿真，也巩固了PROTEL软件操作和使用，并制作出电路PCB印制电路板图。同时经过此次电路设计，不仅巩固我们所学知识，也使我们把理论和实践从真正意义上结合起来，增强了学习爱好，考验我们借助互联网络搜集、查阅相关文件资料和组织材料综合能力。
设计一个很完整电路，需要不停尝试探索，在实际操作过程中，我结合书本和上课时老师讲述知识，查阅资料，慢慢开始对题目有了思绪。对它工作原理也越来越了解。即使课程设计过程是艰辛，不过收获也是巨大。它不仅加深巩固了对已经有知识了解、认识和实际操作能力，而且还加强了对计算机软件操作能力，这对我来讲是一个锻炼，培养了我自学、查阅搜集资料能力。
经过这次课设，我也深刻体会到了自己知识匮乏。意识到自己所学知识肤浅，只是一个表面性，理论性，根本不能够处理在现实中存在很多问题。所以，学习中应多和实际应用相联络。总而言之，经过这次设计，不仅使我对所学过知识有了一个新认识。而且提升了我分析问题及动手操作能力。使我综合能力有了一个很大提升。
在以后学习和生活中，我会愈加努力去做好每一件事，我相信只要我不放弃，只要我坚持下去就会成功。

参考文件
[1] 谢自美.电子线路设计.试验.测试.武汉:华中科技大学出版社.
[2] 赵辉.protel99电子线路CAD.北京邮电大学出版社.
[3] 康华光，陈大钦，张林.电子技术基础.华中科技大学出版

指导老师评语

成绩（60%）

指导老师签字：
年 月 日
答辩小组评语

成绩（40%）

答辩小组签字：
年 月 日
教研室综合意见
综合成绩

教研室主任签字（盖章）：
年 月 日