模電課程設(shè)計(jì)報(bào)告OCL功率放大器設(shè)計(jì)

1、 電子信息工程專業(yè)模電課程設(shè)計(jì)報(bào)告班 級(jí) b電子062 學(xué) 號(hào) 0610620206 姓 名 設(shè)計(jì)時(shí)間 _指導(dǎo)老師 鹽城工學(xué)院信息學(xué)院2008年10月29日目 錄第一章 課設(shè)設(shè)計(jì)目的與要求.1 11 ocl功率放大器.1 12 性能指標(biāo).1第二章 各部分電路設(shè)計(jì).2 21 直流穩(wěn)壓電源.2 22 差分放大電路.2 23 復(fù)合管放大電路.2 第三章 總體電路.3. 31總體電路分析及工作原理.5 32 設(shè)計(jì)總結(jié).6參考文獻(xiàn).7 前言摘要: 放大電路實(shí)質(zhì)上都是能量轉(zhuǎn)換電路。從能量控制的觀點(diǎn)來看，功率放大電路和電壓放大電路沒有本質(zhì)的區(qū)別。但是，功率放大電路和電壓放大電路所要完成的任務(wù)是不同的。對(duì)電壓

2、放大電路的主要要求是使其輸出端得到不失真的電壓信號(hào)，討論的主要指標(biāo)是電壓增益，輸入和輸出阻抗等，輸出的功率并不一定大。而功率放大電路則不同，它主要要求獲得一定的不失真（或失真較?。┑妮敵龉β?，因此功率放大電路包含這一系列在電壓放大電路中沒有出現(xiàn)過的特殊問題，這些問題是：(1） 要求輸出功率盡可能大為了獲得大的功率輸出，要求功放管的電壓和電流都有足夠大的輸出幅度，因此器件往往在接近極限運(yùn)用狀態(tài)下工作。（2） 效率更高 由于輸出功率大，因此直流電源消耗的功率也大，這就存在一個(gè)效率問題。所謂效率就是負(fù)載得到的有用信號(hào)功率和電源供給的直流功率的比值。這個(gè)比值越大，意味著效率越高。（3） 非線性失真小

3、功率放大電路是在大信號(hào)下工作，所以不可避免地會(huì)產(chǎn)生非線性失真，而且同一功放管輸出功率越大，非線性失真往往越嚴(yán)重，這就使輸出功率和非線性失真成為一對(duì)主要矛盾。但是，在不同場(chǎng)合下，對(duì)非線性失真的要求不同。例如，在測(cè)量系統(tǒng)和電聲設(shè)備中，這個(gè)問題顯得很重要，而在工業(yè)系統(tǒng)等場(chǎng)合中，則以輸出功率為主要目的，對(duì)非線性失真的要求就降為次要問題了。 (4)功率器件的散熱問題 在功率放大電路中，為了輸出較大的信號(hào)功率，器件承受的電壓高。為了充分利用允許的管耗而使管子輸出足夠大的功率，放大器件的散熱就成為一個(gè)重要問題了。此外，在功率放大電路中，為了輸出較大的信號(hào)功率，器件承受的電壓要高，通過的電流要大，功率管損壞的

4、可能性也就比較大，所以功率管的損壞與保護(hù)問題也不容忽視。ocl功率放大器是一種一種直接耦合的功率放大器，它具有頻響寬，保真度高，動(dòng)態(tài)特性好及易于集成化等特點(diǎn)。ocl是英文output capacitor less 的縮寫，意為無輸出電容。采用兩組電源供電，使用了正負(fù)電源，在電壓不太高的情況下，也能獲得比較大的輸出功率，省去了輸出端的耦合電容。使放大器低頻特性得到擴(kuò)展。ocl功放電路也是定壓式輸出電路，為釧電路由于性能比較好，所以廣泛地應(yīng)用在高保真擴(kuò)音設(shè)備中。性能優(yōu)良的集成功率放大器給電子電路功放級(jí)的調(diào)試帶來了極大地方便。為了培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力，本課題主要采用分立元件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。一、課程設(shè)計(jì)任

5、務(wù)及要求1、設(shè)計(jì)指標(biāo)采用全部或部分分立元件設(shè)計(jì)一種ocl音頻功率放大器；額定輸出功率；負(fù)載阻抗；失真度；設(shè)計(jì)放大器所需的直流穩(wěn)壓電源。2、設(shè)計(jì)要求畫出電路原理圖（或仿真電路圖）；元器件及參數(shù)選擇；電路的仿真與調(diào)試；分析設(shè)計(jì)要求，明確性能指標(biāo)；查閱資料、設(shè)計(jì)方案分析對(duì)比。3、制作要求論證并確定合理的總體設(shè)計(jì)方案，繪制結(jié)構(gòu)框圖。4、ocl功率放大器各單元具體電路設(shè)計(jì)?？傮w方案分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個(gè)設(shè)計(jì)，計(jì)算電路元件參數(shù)；分析工作性能。5、完成整體電路設(shè)計(jì)及論證。6、編寫設(shè)計(jì)報(bào)告 寫出設(shè)計(jì)與制作的全過程，附上有關(guān)資料和圖紙，有心得體會(huì)。二、總體方案設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)思路功率放大器的作用是給負(fù)載r

6、l提供一定的輸出功率，當(dāng)rl一定時(shí)，希望輸出功率盡可能大，輸出信號(hào)的非線性失真盡可能小，且效率盡可能高。由于ocl電路采用直接耦合方式，為了保證工作穩(wěn)定，必須采用有效措施抑制零點(diǎn)漂移，為了獲得足夠大的輸出功率驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作，故需要有足夠高的電壓放大倍數(shù)。因此，性能良好的ocl功率放大器應(yīng)由輸入級(jí)，推動(dòng)級(jí)和輸出機(jī)等部分組成。2、 ocl功放各級(jí)的作用和電路結(jié)構(gòu)特征（1） 輸入級(jí)：主要作用是抑制零點(diǎn)漂移，保證電路工作穩(wěn)定，同時(shí)對(duì)前級(jí)（音調(diào)控制級(jí)）送來的信號(hào)作用低失真，低噪聲放大。為此，采用帶恒流源的，由復(fù)合管組成的差動(dòng)放大電路，且設(shè)置的靜態(tài)偏置電流較小。（2） 推動(dòng)級(jí)作用是獲得足夠高的電壓放大倍數(shù)，

7、以及為輸出級(jí)提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流，為此，可采帶集電極有源負(fù)載的共射放大電路，其靜態(tài)偏置電流比輸入級(jí)要大。（3） 輸出級(jí)的作用是給負(fù)載提供足夠大的輸出信號(hào)功率，可采用有復(fù)合管構(gòu)成的甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功放或準(zhǔn)互補(bǔ)功放電路。此外，還應(yīng)考慮為穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)須設(shè)置交流負(fù)反饋電路，為穩(wěn)定電壓放大倍數(shù)和改善電路性能須設(shè)置交流負(fù)反饋電路，以及過流保護(hù)電路等。電路設(shè)計(jì)時(shí)各級(jí)應(yīng)設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，在組裝完畢后須進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試，在波形不失真的情況下，使輸出功率最大。動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí)，要注意消振和接好保險(xiǎn)絲，以防損壞元器件。3、 單元電路的選擇與設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)方案利用三極管的電流控制作用或場(chǎng)效應(yīng)管的電壓控制作用將電源的功率

8、轉(zhuǎn)換為按照輸入信號(hào)變化的電流。因?yàn)槁曇羰遣煌穹筒煌l率的波，即交流信號(hào)電流，三極管的集電極電流永遠(yuǎn)是基極電流的倍，是三極管的交流放大倍數(shù)，應(yīng)用這一點(diǎn)，若將小信號(hào)注入基極，則集電極流過的電流會(huì)等于基極電流的倍，然后將這個(gè)信號(hào)用隔直電容隔離出來，就得到了電流(或電壓)是原先的倍的大信號(hào)，這現(xiàn)象成為三極管的放大作用。經(jīng)過不斷的電流及電壓放大，就完成了功率放大。先設(shè)計(jì)一個(gè)放大器所需要的12v的直流穩(wěn)壓電源，如下圖1。信號(hào)先通過差分放大電路進(jìn)行放大，如下圖2。再通過復(fù)合管進(jìn)一步放大，如下圖3。最后通過r輸出。 1、直流穩(wěn)壓電源電路圖（圖1)在電子線路中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源供電。小功率穩(wěn)壓電

9、源一般有電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路等四部分組成。電源變壓器是將交流電網(wǎng)220v的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐担缓笸ㄟ^整流電路將交流電壓變成脈動(dòng)的直流電壓。由于此脈動(dòng)的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動(dòng)（一般有10%左右的波動(dòng)）、負(fù)載和溫度的變化而變化，因而在整流、濾波電路之后，還需接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。當(dāng)負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。 2、差分放大電路電路圖（圖2)差分放大電路在性能發(fā)那個(gè)面有許多有點(diǎn)，是模擬集成電路的又一重要組成部分。上圖時(shí)用兩個(gè)特

10、性相同的三端器件t1、t2所組成的單端輸入的差分放大電路。圖中r0為實(shí)際電流源的動(dòng)態(tài)輸出電阻，其阻值一般很大，容易滿足r0re（發(fā)射結(jié)電阻）的條件，這樣就可以認(rèn)為r0支路相當(dāng)于開路，輸入信號(hào)電壓近似地均分在兩管的輸入賄賂上，如圖中體現(xiàn)了射極耦合的作用。3、 復(fù)合管放大電路電路圖（圖3) 雙極性三極管（bjt）有兩種類型：npn型和pnp型。他們分別有三個(gè)極：發(fā)射極e、集電極c和基極b。當(dāng)bjt用作放大器件時(shí)，無論是npn型還是pnp型，都應(yīng)將他們的發(fā)射結(jié)加爭(zhēng)先偏置電壓，集電結(jié)加反向偏置電壓。以npn管為例，其工作原理是：(1) 發(fā)射結(jié)向基區(qū)擴(kuò)散載流子，形成發(fā)射極電流 ie(2) 載流子在基區(qū)擴(kuò)

11、散與復(fù)合，形成復(fù)合電流ibn(3) 集電區(qū)手機(jī)載流子，形象橫集電極電流 icbjt共射極連接時(shí)的v-i特性曲線 （1） 輸入特性 上圖是npn型硅bjt共射極連接時(shí)的輸入特性曲線。圖中示出了vce分別為0v,1v三種情況下的輸入特性曲線。因?yàn)榘l(fā)射結(jié)正偏，所以bjt的輸入特性曲線與半導(dǎo)體二極管的正向特性曲線相似，但隨著vce的增加，特性曲線向右移動(dòng)。即當(dāng)vbe一定時(shí)，隨著vce的增加，ib將減小。 （2） 輸出特性上圖是npn型硅bjt共射極連接時(shí)的輸出特性曲線。圖中bjt有三個(gè)工作區(qū)域：放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)。(1) 放大區(qū)：在截止區(qū)以上，介于飽和區(qū)與擊穿區(qū)之間的區(qū)域?yàn)榉糯髤^(qū)。在此區(qū)域內(nèi)，特性

12、曲線近似于一簇平行等距的水平線，ic的變化量與ib的變量基本保持線性關(guān)系，即ic=ib，且ic ib。vbe對(duì)ic的影響由基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)產(chǎn)生，即vbe增加時(shí)，基區(qū)有效寬度減小，載流子在基區(qū)的復(fù)合機(jī)會(huì)減少，使電流放大系數(shù)略有增加，在保持ib不變的情況下，ic將隨vbe的增大而略有增大。 在放大區(qū)，三極管的發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。（2）飽和區(qū)：指綠色區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi)，對(duì)應(yīng)不同ib值的輸出特性曲線簇幾乎重合在一起。也就是說，vbe較小時(shí)，ic雖然增加，但ic增加不大，即ib失去了對(duì)ic的控制能力。這種情況，稱為三極管的飽和。飽和時(shí)，三極管的發(fā)射給和集電結(jié)都處于正向偏置狀態(tài)。三極

13、管集電極與發(fā)射極間的電壓稱為集一射飽和壓降，用vces表示。vces很小，通常中小功率硅管vces0.5v；三極管基極與發(fā)射極之間的電壓稱為基一射飽和壓降，以vces表示，硅管的vces在08v左右。（3） 截止區(qū)：指ib=0的那條特性曲線以下的區(qū)域。在此區(qū)域里，三極管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于反向偏置狀態(tài)，三極管失去了放大作用，集電極只有微小的穿透電流iceo。2、確定工作電壓為了達(dá)到輸出功率10w的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)使電路安全可靠地工作，電路的最大輸出功率p應(yīng)比設(shè)計(jì)指標(biāo)大些，一般取p（1.52）p。即本設(shè)計(jì)中電路的最大輸出功率應(yīng)按68w來考慮。 由于是 p=u因此，最大輸出電壓為 u=考慮到輸出功

14、率管v2，v4的飽和壓降和發(fā)射極電阻r10，r11的壓降，電源電壓常取 v=（1.21.5）u3、功率輸出級(jí)的設(shè)計(jì) (1)輸出功率管的選擇輸出功率管v4，v6為同類型的npn型大功率管，其承受的最大反向電壓u2v，每個(gè)管的最大集電極電流為iv/r14+r，每個(gè)管的最大集電極功耗為p0.2p。（2）復(fù)合管的選擇 v1,v3分別與v2,v4組成復(fù)合管,它們承受的最大電壓均為2 v,考慮到r7,r8的分流作用和晶體管的損耗,在估算v1,v3的集電極最大電流和最大管耗時(shí),可近似為 i= i(1.11.5) p=p(1.11.5)（3）電阻r6-r11的估算 r7,r8用來減小復(fù)合管的穿透電流,其值太小

15、會(huì)影響復(fù)合管的穩(wěn)定性,太 大又會(huì)影響輸出功率,一般取r7=r8=(5-10)ri2。ri2為v2管輸入端的等效輸入電阻，其大小為ri2=r+（1+）r10（大功率管的 r約為10歐）輸出管v2，v4的發(fā)射極電阻r10，r11用于獲得電流負(fù)反饋?zhàn)饔茫闺娐饭ぷ鞲臃€(wěn)定，一般取r10=r11=（0.050.1）r。 由于v1，v3管的類型不同，接法也不一樣，因此兩管的輸入阻抗不一樣，會(huì)使加到v1，v3的基極輸入端的信號(hào)不對(duì)稱。為此，加r6，r9作為平衡電阻，使兩管的輸入電阻相等。(4) 確定偏置電路為了克服交越失真，二極管v8，v9和r7，r8共同組成輸出級(jí)的偏置電路，以使輸出級(jí)工作于甲乙類狀態(tài)。

16、其中v8，v9選擇與復(fù)合管v4，v5相同材料的硅二極管，可獲得較好的的溫度補(bǔ)償作用。四、總電路圖及其工作原理工作原理：1用差分放大輸入級(jí)抑制零漂，如前所述，為了使r在靜態(tài)時(shí)沒有直流電流通過，即a點(diǎn)的靜態(tài)直流電位為零，所以采用正，負(fù)對(duì)稱的兩個(gè)小電源（+v，-v）。但是溫度的變化又會(huì)引起零漂，所以應(yīng)采用差分放大器作為輸入級(jí)，用它來抑制a點(diǎn)電位因受溫度等因素影響而產(chǎn)生的零漂。2其他元器件的作用。v3管為激勵(lì)級(jí)，它把v1管輸出信號(hào)再進(jìn)行一次放大后去推動(dòng)功率輸出級(jí)的功放管工作，故該級(jí)又稱為推動(dòng)級(jí)。c5是高頻負(fù)反饋電容，防止v3高頻自激。3r7，v8，v9為功放管提供靜態(tài)偏置，防止交越失真，把v4，v5基

17、極直流電信分開，并利用v8，v9補(bǔ)償功放管的溫度特性，以穩(wěn)定功放管的基極偏流。4r5，c3，r6組成電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。c3對(duì)低頻信號(hào)短路，分壓比r6/（r5+r6）為反饋系數(shù)，r6越大，反饋量越大，反饋越強(qiáng)。分壓比適當(dāng)則既可減小信號(hào)非線性失真，又不致造成放大器增益下降太多。5r16，c6稱中和電路，防止由于感性負(fù)載而引起高頻自激。6r4，c2是差動(dòng)放大器的電源濾波電路。7c4稱自舉電容，用來提高功率輸出級(jí)的增益。由圖可知，當(dāng)輸入信號(hào)u1為正半周時(shí)，經(jīng)v1，v2和v3次放大并反相，u也為正半周，則v4，v6復(fù)合管導(dǎo)通，信號(hào)放大后經(jīng)r14，r，地，+v返回v4，v6形成回路，在負(fù)載r上有放大了的正半周電流i通過，其方向如圖中的實(shí)線所示。同理可知負(fù)半周上的i通過，如圖中虛線所示。這樣輪流推挽工作，在r上就獲得功率放大后的完整信號(hào)。五、總結(jié)課設(shè)的過程是艱辛的，但是收獲是巨大的。首先，我們?cè)僖淮蔚募由铎柟塘藢?duì)已有的知識(shí)的理解及認(rèn)識(shí)；其次，我們第一次