OCL功率放大器課程設(shè)計(jì)

1、物理與電子信息學(xué)院模擬電路課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表專(zhuān)業(yè)：電子信息工程班級(jí)：12電信本學(xué)號(hào)： 120802054姓名：鐘吉森 課題名稱(chēng)設(shè)計(jì)任務(wù)與要求設(shè)計(jì)報(bào)告成績(jī)?cè)u(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：有合理的方案設(shè)計(jì)和論證、電路參數(shù)的計(jì)算、總原理圖和清單。（0-20分）電路板制作、調(diào)試規(guī)范，有詳細(xì)制作和調(diào)試過(guò)程。（0-10分）電路板測(cè)試合理，對(duì)性能指標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)完整，正確；進(jìn)行數(shù)據(jù)處理規(guī)范，進(jìn)行了誤差計(jì)算和誤差分析。（0-15分）對(duì)課程設(shè)計(jì)進(jìn)行了總結(jié)，有體會(huì)，并能提出設(shè)計(jì)的改進(jìn)、建設(shè)性意見(jiàn)。 （0-5分）設(shè)計(jì)報(bào)告成績(jī)：電子作品成績(jī)?cè)u(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：電路正確，能完成設(shè)計(jì)要求提出的基本功能。（0-30分）電路板焊接工藝規(guī)范，焊點(diǎn)均勻，布局合理。

2、（0-20分） (其中直流電源部分占20%，功能部分80%)電子作品成績(jī)：課程設(shè)計(jì)成績(jī) 總成績(jī)： 指導(dǎo)教師：2014年1月15日模擬電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)課題： 功率放大電路設(shè)計(jì) 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 12電信本 學(xué)生姓名： 鐘吉森 學(xué)號(hào): 120802054 指導(dǎo)教師： 曾祥華 設(shè)計(jì)時(shí)間：2013.12-2014.1 OCL音頻功率放大器一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1用集成運(yùn)算放大器和集成功放塊設(shè)計(jì)OCL功放電路2輸入信號(hào)為vi10mV, RI100K;額定輸出功率Po2W；負(fù)載阻抗RL=8；3頻率范圍f（1-3）KHz；4. 用橋式整流電容濾波集成穩(wěn)壓塊電路設(shè)計(jì)電路所需的直流電源。二、方案設(shè)計(jì)與論證（至少二個(gè)方

3、案比較） OCL（Output Capeacitorless）功放電路，顧名思義為無(wú)輸出電容功率放大器，在OCL電路中，T1和T2特性對(duì)稱(chēng)，采用了雙電源供電。靜態(tài)時(shí)，T1和T2均截止，輸出電壓為零。設(shè)晶體管be間的開(kāi)啟電壓可忽略不計(jì)；輸入電壓為正弦波。當(dāng)Ui>O時(shí)，Tl管導(dǎo)通，T2管截止，正電源供電，電流如右圖中實(shí)線(xiàn)所示，電路為射極輸出形式，UoUi；當(dāng)Ui<0時(shí)，T2管導(dǎo)通，T1管截止，負(fù)電源供電，電流如圖虛線(xiàn)所示，電路也為射極輸出形式，UoUi ；可見(jiàn)電路實(shí)現(xiàn)了“T，和T2交替工作，正、負(fù)電源交替供電，輸出與輸人之間雙向跟隨”。不同類(lèi)型的兩只晶體管(T1和T2)交替工作、且均組

4、成射極輸出形式的電路稱(chēng)為“互補(bǔ)”電路，兩只管子的這種交替工作方式稱(chēng)為“互補(bǔ)”工作方式。題目目要求用用集成功放塊實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)，集成運(yùn)算放大器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理包括選頻（f（1-3）kHz）信號(hào)放大（Ui10mV）等，總體電路組成情況如下濾波電路要求13kHz且輸入電阻很大可設(shè)計(jì)一個(gè)同相輸入帶通濾波電路，放大電路可設(shè)計(jì)為同相和反相放大電路，ocl集成塊可選擇tda1521雙聲道功放塊和tda2030/tda2030a功放塊，電路選其經(jīng)典應(yīng)用電路，直流電源可設(shè)計(jì)成可調(diào)式和不可調(diào)式。方案一方案分析：Tda1521 2.5￥;LM7812 0.85￥; LM7912 1.1￥揚(yáng)聲器 6*2=12￥主要芯

5、片和部件總價(jià)為16.45￥查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)可知雙聲道tda1521OCL雙電源工作電壓1020V其經(jīng)典應(yīng)用電路為16V，芯片在±12V電源下不能發(fā)揮其最佳性能。1. 方案二圖2-2方案分析：tda2030a 1.3￥；LM317 0.68￥LM337 1.72￥揚(yáng)聲器6￥主要芯片和部件總價(jià)為9.7￥tda2030a外接元件非常少。 輸出功率大，Po=16W(RL=8)。 采用超小型封裝（TO-220）,可提高組裝密度。 開(kāi)機(jī)沖擊極小。 內(nèi)含各種保護(hù)電路，因此工作安全可靠。主要保護(hù)電路有：短路保護(hù)、熱保護(hù)、地線(xiàn)偶然開(kāi)路、電源極性反接（Vsmax=12V）以及負(fù)載泄放電壓反沖等。 TDA20

6、30A能在最低±6V最高±22V的電壓下工作在±19V、8阻抗時(shí)能夠輸出16W的有效功率，THD0.1%。引腳情況 1腳是正相輸入端 2腳是反向輸入端 3腳是負(fù)電源輸入端 4腳是功率輸出端 5腳是正電源輸入端。注意事項(xiàng) ：TDA2030A具有負(fù)載泄放電壓反沖保護(hù)電路，如果電源電壓峰值電壓40V的話(huà)，那么在5腳與電源之間必須插入LC濾波器，二極管限壓（5腳因?yàn)槿魏卧虍a(chǎn)生了高壓，一般是喇叭的線(xiàn)圈電感作用，使電壓等于電源的電壓）以保證5腳上的脈沖串維持在規(guī)定的幅度內(nèi)。：熱保護(hù)：限熱保護(hù)有以下優(yōu)點(diǎn)，能夠容易承受輸出的過(guò)載（甚至是長(zhǎng)時(shí)間的），或者環(huán)境溫度超過(guò)時(shí)均起保護(hù)作用

7、。：與普通電路相比較，散熱片可以有更小的安全系數(shù)。萬(wàn)一結(jié)溫超過(guò)時(shí)，也不會(huì)對(duì)器件有所損害，如果發(fā)生這種情況，Po=（當(dāng)然還有Ptot）和Io就被減少。：印刷電路板設(shè)計(jì)時(shí)必須較好的考慮地線(xiàn)與輸出的去耦，因?yàn)檫@些線(xiàn)路有大的電流通過(guò)。：裝配時(shí)散熱片與之間不需要絕緣，引線(xiàn)長(zhǎng)度應(yīng)盡可能短，焊接溫度不得超過(guò)260，12秒。：雖然TDA2030A所需的元件很少，但所選的元件必須是品質(zhì)有保障的元件TDA2030a數(shù)據(jù)表通過(guò)分析，結(jié)合設(shè)計(jì)電路性能指標(biāo)、器件的性?xún)r(jià)比，本設(shè)計(jì)電路選擇方案二。三、單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算1.直流穩(wěn)壓電源電路直流電源由電源變壓器，整流電路，濾波電路，穩(wěn)壓電路四部分構(gòu)成穩(wěn)壓電源的組成框圖3-

8、1所示。 + 電 源 + 整 流 + 濾 波 + 穩(wěn) 壓 u1 u2 u3 uI U0 _ 變壓器 _ 電 路 _ 電 路 _ 電 路 圖3-1 穩(wěn)壓電源的組成框圖（1） 整流，濾波電路右圖為單相橋式整流電路各部分的電壓和電流的波形，輸出電壓的平均值得整流后波形電容濾波濾波原理如圖所示，濾波之后電壓平均值上式表明，當(dāng)負(fù)載開(kāi)路，即RL=時(shí)，當(dāng)RLC=（35）T/2時(shí) 由于變壓器副端輸出為15V交流電，電容及二極管耐壓值要U>1.12Uo計(jì)算得耐壓值為23V。 （2）穩(wěn)壓電路(右圖)查閱LM317數(shù)據(jù)手冊(cè)其基準(zhǔn)電壓為1.25V最小負(fù)載電流取10mA可計(jì)算出R3的最大值R3=1.25/0.01

9、=125歐姆，輸出電壓為Uo=（1+R3/R2）*1.25取R3=120歐，變阻器取5k歐，實(shí)際調(diào)節(jié)中不能將變阻器調(diào)至最大值，否則容易將穩(wěn)壓塊燒壞。（2）可調(diào)直流電源總圖2.功能部分電路 （1）帶通濾波電路將低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)就可得到帶通濾波器右圖為實(shí)用壓控電壓源二階帶通濾波電路。Up(s)為同相比例運(yùn)算電路的輸入，比例系數(shù)當(dāng)C1=C2=C，R1=R，R2=2R時(shí)，電路的傳遞函數(shù)令f。=1/(2RC),當(dāng)f=f。時(shí)得出通帶放大倍數(shù)上下限截止頻率通頻帶題目要求（13）kHz中心頻率f。=2kHz，帶寬fb=2kHz，令品質(zhì)因數(shù)Q=1，比例系數(shù)為Auf=2，則f=f。時(shí)得到通帶增益Aup=

10、2，根據(jù)f。=1/(2RC)令C=0.1uf，得R1=R3=795.8歐姆，R2=2R1=1591.6歐姆。理論上fp1=1.2kHz，fp2=3.2（2）同相比例放大電路同相比例放大電路具有高輸入電阻低輸出電阻的特性放大倍數(shù)Au2=（1+Rf/R），題目要求功放輸出功率大于Po>2W，查閱TDA2030a數(shù)據(jù)表推算出±15V供電時(shí)，要設(shè)置的功率范圍是210.5W，其輸出電壓范圍413V，tda2030a電壓增益設(shè)置為27倍，所以功放前級(jí)輸入電壓為148481mV，題目要求第一級(jí)輸入U(xiǎn)i<10mV，第一級(jí)帶通濾波在中心頻率處放大兩倍，所以在同相比例放大電路前級(jí)輸入U(xiǎn)i2&

11、lt;20mV，為使其能響應(yīng)3mV左右的信號(hào)，同相比例放大設(shè)置為41倍，即Rf/R=40，取Rf=1.2k歐姆，R=30歐姆（3）功放部分電路這里取其典型應(yīng)用電路，電壓增益為右圖Au3=R5/R9，這里設(shè)置為20000/750=27倍，Vcc=15V，RL=8歐姆取Uces=2V，最大不失真電壓Uom=13V最大輸入有效值13/27=481.5mV旁路元件作用C5C7低頻退耦，C4C8高頻退耦，C6隔直，C2反相隔直，C3R3移相穩(wěn)定頻率，兩個(gè)二極管輸出電壓正負(fù)限幅保護(hù)，R5R9閉環(huán)增益設(shè)置，R10同相輸入偏置調(diào)節(jié)輸入阻抗。功能部分電路總圖四、總原理圖及主要元器件清單1總原理圖：2主要元件清單

12、表1 部分元件清單元件名稱(chēng)型號(hào)主要參數(shù)數(shù)量備注（單價(jià)）變壓器O/P15V×2I/PAC220V5060HZ115整流二極管1N4007反向耐壓1000V6發(fā)光二極管1.2V10mA2濾波電容電解電容25V2200uf20.38穩(wěn)壓塊LM317T1.2537V可調(diào)10.68穩(wěn)壓塊LM3371.2537V11.72變阻器藍(lán)色精密5k2集成運(yùn)放ua74120.68集成功放Tda2030a閉環(huán)增益26倍10.88二極管1N4001反向耐壓50V2電容電阻其他五、安裝與調(diào)試1.電路安裝電源電路和功能部分電路分開(kāi)安裝焊接。電源部分正負(fù)極具對(duì)稱(chēng)性，電源在長(zhǎng)期工作的時(shí)候變壓器和穩(wěn)壓塊容易發(fā)熱，在排布

13、的時(shí)候應(yīng)考慮散熱問(wèn)題，穩(wěn)壓塊應(yīng)加散熱片，元件間隔盡量不要排布的太緊密，但是歷史上電子產(chǎn)品越做越小越來(lái)越精細(xì)，實(shí)際應(yīng)用中人們也會(huì)考慮便攜性。焊接時(shí)應(yīng)合理布局，太疏體積大，太密元件可能相互影響，焊接時(shí)特別注意穩(wěn)壓塊三個(gè)腳輸317：1腳調(diào)節(jié)，2腳輸出，3腳輸入；337:1腳調(diào)節(jié)，2腳輸入，3腳輸出，注意濾波電容極性接反容易爆炸，一般電解電容側(cè)身白條標(biāo)有負(fù)號(hào)那個(gè)腳即是負(fù)極，發(fā)光二級(jí)管長(zhǎng)腳為正。右圖為實(shí)物圖，電源不長(zhǎng)期使用因此圖中沒(méi)安裝散熱片功能部分功能部分有三級(jí)電路分別是濾波電路、放大電路、功放電路。Tda2030a發(fā)熱比較嚴(yán)重必須加散熱片（上交作品已加散熱片），考慮到電路要求一些特殊阻值的電阻，在實(shí)

14、際焊接時(shí)可能要串并聯(lián)拼湊達(dá)到相近阻值，這對(duì)焊接在小板子上增加了挑戰(zhàn)，一開(kāi)始我把三級(jí)電路都串聯(lián)起來(lái)了，應(yīng)老師要求對(duì)每一級(jí)電路都要測(cè)試并留出夾子。我在原來(lái)的基礎(chǔ)上引出夾子。本來(lái)想三級(jí)電路電源線(xiàn)合并，考慮到功放供電可以在一定電壓范圍，因此功放部分單獨(dú)引出電源線(xiàn)，從各級(jí)電路來(lái)看，接地的比較多比較復(fù)雜，合并在一起可能對(duì)接地電阻會(huì)有影響，從而影響單級(jí)測(cè)試數(shù)據(jù)。圖中電位器因?yàn)樽约合氩シ乓魳?lè)，手機(jī)耳機(jī)音頻輸出電壓比較大喇叭功率只有3W而加上去的，測(cè)試時(shí)不經(jīng)過(guò)電位器。2.電路調(diào)試（1）靜態(tài)調(diào)試 電源第一次調(diào)試時(shí)即表現(xiàn)良好，電壓精確可調(diào)，第二天調(diào)試時(shí)數(shù)據(jù)突然增大，在1920V范圍內(nèi)，負(fù)電源正常，正電源指示燈很快熄

15、滅隨后120歐姆的電阻燒壞，重重檢測(cè)之后發(fā)現(xiàn)是穩(wěn)壓塊壞了，換過(guò)新的穩(wěn)壓塊數(shù)據(jù)果然正常。功放部分在無(wú)輸入信號(hào)時(shí)輸出檢測(cè)不到電流。說(shuō)明靜態(tài)工作良好，無(wú)噪音干擾。（2）動(dòng)態(tài)調(diào)試功能部分安老師要求分級(jí)調(diào)試，第一級(jí)濾波就出現(xiàn)問(wèn)題，在f=2kHz時(shí)電壓增益理論上是輸入電壓的兩倍，實(shí)際上是減小了。初步認(rèn)為是聯(lián)級(jí)相互影響，分開(kāi)之后依然減小，第二級(jí)電路分開(kāi)單獨(dú)調(diào)試數(shù)據(jù)正常放大倍數(shù)在41倍多一點(diǎn)。第三級(jí)電路增益正常在27倍左右。之后的調(diào)試都卡在了第一級(jí)電路上，不斷的檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)兩個(gè)低級(jí)錯(cuò)誤，電路兩根線(xiàn)接錯(cuò)。接好之后一切正常六、性能測(cè)試與分析（要圍繞設(shè)計(jì)要求中的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行）（無(wú)詳細(xì)測(cè)試過(guò)程和數(shù)據(jù)處理、誤差計(jì)算與分析

16、，設(shè)計(jì)報(bào)告視為不合格）1.直流電源測(cè)試與分析（1）測(cè)試步驟先調(diào)好±15V再測(cè)量電網(wǎng)電壓，變壓器副端電壓，穩(wěn)壓塊輸入電壓，穩(wěn)壓塊輸出電壓。（2）測(cè)試數(shù)據(jù)項(xiàng)目數(shù)據(jù)穩(wěn)壓塊電網(wǎng)電壓（V）變壓器副端（V）穩(wěn)壓塊輸入（V）穩(wěn)壓塊輸出（V）LM31722616.020.5715.0LM33722616.120.5715.0（3）數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)1.2520V正負(fù)可調(diào)（4）誤差計(jì)算無(wú)（5）結(jié)論分析（包含誤差分析）1.2520V可調(diào)2.功能電路測(cè)試與分析（1）測(cè)試步驟第一級(jí)帶通濾波，第二級(jí)放大電路，第三級(jí)功放電路（2） 測(cè)試數(shù)據(jù)（含處理）帶通濾波數(shù)據(jù)f。=2kHz，Aup=2，Q=1頻率f（kHz）0.1

17、0.20.50.70.911.31.51.71.922.12.22.3Ui(mV)10101010 10.110.110.210.210.310.210.210.210.210.2Uo(mV)0.942.045.307.409.4310.8313.9415.7416.9917.5917.6617.6017.2516.94Au0.0940.2040.530.740.931.071.361.541.641.721.731.721.691.6620lg(Au)（mV）-20-13-5-2-0.60.582.73.74.24.74.84.74.64.4頻率f（kHz）2.733.13.244.14.2

18、4.54.7510204045Ui(mV)9.99.99.99,859.79.729.739.689.669.759.689.639.579.57Uo(mV)15.7114.4314.0513.6810.9810.7410.989.759.358,784.442.311.191.06Au1.581.461.421.391.131.101.0710.960.90.450.160.120.1120lg(Au)（mV）43.232.810.80.60-0.2-0.9-6.9-15.9-18-19數(shù)據(jù)處理及波形圖分析Ui=10mV f=1kHz由波形可知在f=1kHz時(shí)Uo大致等于Ui，符合品質(zhì)因數(shù)Q

19、=1因此其下限截止頻率小于1kHz 理論下限截止頻率fp1=1.2kHzUi=10.2mV f=2kHz通道A為輸入通道B為輸出Uo1.73Ui，Aup=Auf=1.73，輸出輸入信號(hào)相位一致因此可得出中心頻率f。=2kHzUi=9.9mV f=3kHz理論設(shè)置f=3.2kHz上限截止頻率Ui=9.7mV f=4.5kHz通道A為輸入通道B為輸出UoUi，Q=1下限截止頻率為4.5kHz根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)畫(huà)出波特圖（5）結(jié)論分析（包含誤差分析）題目要求濾波（13）kHz理論設(shè)置的帶通濾波器的帶寬是2kHz中心頻率處電壓增益Aup=2下限截止頻率fp1=1.2kHz上限截止頻率為3.2kHz，實(shí)際測(cè)量

20、帶寬為3.5kHz上限截止頻率為4.5kHz下限截止頻率為1kHz，因此產(chǎn)生了比較大的誤差。誤差出現(xiàn)原因可能是電阻多為拼湊不精確造成的同相比例放大電路數(shù)據(jù)表（含處理）Ui（mV）4.34101520Ui（mV）5.0610.0815.2620Uo（mV）180408616823Us（mV）5.3010.2715.3620.13Au41.540.841.141.1Ri（k）421106130523076數(shù)據(jù)處理放大倍數(shù)平均值A(chǔ)u=41.125倍輸入電阻平均值Ri=1902k輸入電阻計(jì)算公式Ri=RUi/(Us-Ui)，R為定值電阻取20K歐姆結(jié)論及誤差分析放大倍數(shù)平均值A(chǔ)u=41.125倍，符合

21、設(shè)計(jì)值理論值為41倍可能原因是反相接地端電阻設(shè)置為30歐姆，R6=Rf2/R4=29.2歐姆，也可能是電阻本身存在誤差。輸入電阻平均值Ri=1902k歐姆符合題目輸入電阻大于100k的要求。 功放級(jí)電路數(shù)據(jù)測(cè)試（含處理）Ui（mV）150.9200.4250301.2Uo（V）4.105.486.848.24Au27.227.327.3627.35結(jié)論和誤差分析Au平均值27.30理論值為20k/750=26.6倍可能是電阻不精確導(dǎo)致總級(jí)聯(lián)測(cè)試 總聯(lián)級(jí)測(cè)試，總聯(lián)級(jí)測(cè)試?yán)碚撋戏糯蟊稊?shù)為2*41*27=2214倍，假設(shè)輸入信號(hào)為3mV輸出應(yīng)為6.6V。實(shí)測(cè)為也應(yīng)該是Au1*Au2*Au3=1.7*

22、41.1*27=1942.3倍，實(shí)測(cè)輸入3mV總輸出為9V，存在了比較大的誤差，誤差分析初步斷定是毫伏表出了問(wèn)題，毫伏表沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)指針不歸0，我在讀數(shù)的時(shí)候指針不斷跳動(dòng)，老師又不允許換儀器，本實(shí)驗(yàn)桌毫伏表被另一個(gè)同學(xué)搬去在測(cè)量，而我從那同學(xué)桌上搬過(guò)來(lái)的估計(jì)是她試了沒(méi)用的毫伏表。七、結(jié)論1，電源設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)了要求；2，第一級(jí)帶通濾波器選頻范圍13kHz實(shí)測(cè)為14.5kHz下限截止頻率符合要求上限截止頻率存在誤差，f=f。時(shí)理論設(shè)置為Aup=2，實(shí)測(cè)為1.73倍；3，第二級(jí)放大電路，放大倍數(shù)設(shè)置為41倍，實(shí)測(cè)為41.125倍，輸入電阻1029k歐姆，基本符合設(shè)置要求； 4，第三級(jí)功放電路設(shè)置為27倍增益，實(shí)測(cè)27.30倍，基本符合設(shè)置要求；5總聯(lián)級(jí)，總聯(lián)級(jí)測(cè)試時(shí)是在老師陪同下測(cè)試的，之前沒(méi)測(cè)試過(guò)，總聯(lián)級(jí)測(cè)試?yán)碚撋戏糯蟊稊?shù)為2*41*27=2214倍，假設(shè)輸入信號(hào)為3mV輸出應(yīng)為6.6V。實(shí)測(cè)為9V存在了比較大的誤差，老師判為沒(méi)有達(dá)到要求?？偨Y(jié);本次課程設(shè)計(jì)我認(rèn)為最有成就感的