OCL低頻功率放大器設(shè)計(jì)報(bào)告B5

1、華北科技學(xué)院課程設(shè)計(jì)OCL低頻功率放大器設(shè)計(jì)報(bào)告一 設(shè)計(jì)要求 說(shuō)明：1.1設(shè)計(jì)任務(wù)：OCL低頻功率放大器的設(shè)計(jì)1.2課程設(shè)計(jì)的要求及技術(shù)指標(biāo)2技術(shù)參數(shù)：輸入電壓幅值Uim<0.1V，負(fù)載電阻RL=8歐姆輸出功率>4W，輸出電阻>40K，工作頻率20HZ20KHZ。1.3設(shè)計(jì)要求：（1)完成全電路的理論設(shè)計(jì)。（2)參數(shù)的計(jì)算和有關(guān)器件的選擇。（3)撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)一份；A3圖紙至少1張。報(bào)告書(shū)要求寫(xiě)明以下主要內(nèi)容：總體方案的選擇和設(shè)計(jì)；各個(gè)單元電路的選擇和設(shè)計(jì)；仿真的過(guò)程的實(shí)現(xiàn)。二設(shè)計(jì)的作用，目的，2.1進(jìn)一步熟悉和掌握模擬電子電路的設(shè)計(jì)方法和步驟。22 進(jìn)一步理解功率放大電路的

2、結(jié)構(gòu)，組成及原理，將理論和實(shí)踐相結(jié)合。功率放大器可能由以下幾個(gè)部分組成：三設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn) 1.系統(tǒng)概述 功率放大器是以向負(fù)載輸出一定功率為主要目的的放大電路。所謂功率放大，只是把直流供電電源的能量轉(zhuǎn)換為放大器輸出的能量。按工作方式，功率放大器分為有變壓器輸出，無(wú)變壓器輸出（OCL）、無(wú)電容輸出（OCL）、無(wú)變壓器平衡輸出（BTL）等。多級(jí)放大電路有四種常見(jiàn)的耦合方式：直接耦合類(lèi)、阻容耦合類(lèi)、變壓器耦合類(lèi)和光電耦合類(lèi)。直接耦合的特點(diǎn)：（1）可以放大交流和緩慢變化的直流信號(hào)（2）便于集成（3）各級(jí)工作點(diǎn)相互影響設(shè)置工作點(diǎn)困難（4）存在零點(diǎn)漂移阻容耦合的特點(diǎn)：（1）只能放大交流不能放大緩慢變化的信號(hào)

3、（2）不便于集成（3）靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立，易于設(shè)置（4）不存在零點(diǎn)漂移變壓器耦合特點(diǎn)：（1）只能放大交流不能放大緩慢變化的信號(hào)（2）不易于集成（3）靜態(tài)工作點(diǎn)獨(dú)立 （4）能實(shí)現(xiàn)阻抗匹配光電耦合特點(diǎn)：（1）輸入回路與輸出回路電氣上隔離，抗干擾能力強(qiáng)（2）具有較強(qiáng)的放大能力 2,。單元電路的設(shè)計(jì)，仿真與分析。輸入級(jí) 要求輸入級(jí)具有盡可能高的共模抑制比和高輸入阻抗，所以輸入級(jí)通常采用帶有射級(jí)恒流源、溫度漂移小、內(nèi)部參數(shù)匹配性能好和易于補(bǔ)償?shù)牟顒?dòng)放大電路。輸入級(jí)電路的主要作用是在盡可能小的溫度漂移和輸入電源下，得到盡可能大的輸入電阻和輸入電壓的變化范圍，它是抑制溫度漂移的關(guān)鍵一級(jí)，對(duì)于整個(gè)電路指標(biāo)的優(yōu)

4、劣起著關(guān)鍵的作用，多采用差分放大電路。 推動(dòng)級(jí)推動(dòng)級(jí)的任務(wù)是把微弱的信號(hào)加以放大，用以推動(dòng)功放輸出級(jí)它工作在小信號(hào)狀態(tài)下，要有最夠高的電壓增益，實(shí)現(xiàn)電平移位，并且有從雙端輸入到單端輸出的轉(zhuǎn)換功能，所以一般采用共射級(jí)放大電路。 功率放大電級(jí)功率放大電路用以輸出足夠大的輸出功率。功率的定義是電壓和電流的乘積。故一個(gè)足夠大的功率放大電路，不僅要有足夠大的輸出電流幅度，還要有足夠大的輸出電壓幅度。 偏執(zhí)電路其主要作用是為各級(jí)電路供給穩(wěn)定的、合適的偏置電流，決定各級(jí)電路的Q點(diǎn)，使功放盡可能少受溫度和電源電壓變動(dòng)的影響。當(dāng)然在這里，偏置電路就可以認(rèn)為是供電電路。 輔助電路保護(hù)電路主要是為了保護(hù)電路能在適當(dāng)

5、的條件下安全的工作。比如電路的過(guò)流保護(hù)，以及過(guò)熱保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)等，這類(lèi)電路在整個(gè)電路的正常工作中有重要的作用，它體現(xiàn)了設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)電路的周密性，完整性。3.方案選擇及原理框圖甲類(lèi)功率放大電路，支流輸出電阻小，帶負(fù)載能力強(qiáng)，但有用功效率比較低,一般用于信號(hào)源的推動(dòng)放大。乙類(lèi)功率放大電路，雖然管耗損少有利于提高效率，但存在嚴(yán)重的波形失真，輸出信號(hào)的半個(gè)波形被消耗掉了，一般使用時(shí)是用互補(bǔ)的兩個(gè)管子交替工作輸出，加裝一定的偏置電路后可以克服管子的交越失真，使之完整的輸出放大信號(hào)。最常用的是甲乙類(lèi)工作電路，他結(jié)合了甲類(lèi)功放電路和乙類(lèi)功放電路的優(yōu)點(diǎn)，使之更好的放大信號(hào)。當(dāng)然還有丙類(lèi)和丁類(lèi)工作狀態(tài)的電路，這里

6、不做介紹。本次課程設(shè)計(jì)使用的就是這種改進(jìn)的OCL電路。OCL放大電路它采用雙電源供電，T1和T2均構(gòu)成共射級(jí)的接法，無(wú)輸出電容。靜態(tài)工作點(diǎn)：兩三級(jí)管均截止 UBE = 0，IB = 0，IC = 0，UCE = VCC。當(dāng) UI > 0時(shí)，T1管導(dǎo)通，T2管截止，這時(shí)正電源供電；當(dāng)UI > 0時(shí)，T2管導(dǎo)通，T2管截止，這時(shí)是負(fù)電源供電。T1和T2管交替工作，正負(fù)電源交替供電，輸出與輸入之間雙向跟隨。易集成，頻率特性好，管子承受電壓比OTL的管子要大。優(yōu)點(diǎn)：輸出與負(fù)載直接耦合，具有頻率相應(yīng)寬，保真度高，動(dòng)態(tài)特性好，易于集成，電源使用效率高，輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)：使用兩組電源。電路

7、原理圖如下：本次課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的是OCL低頻功率放大電路，主要有以下幾部分組成：功率放大級(jí)信號(hào)源輸入級(jí)推動(dòng)級(jí)4各組成部分的工作原理4.1各個(gè)單元電路的設(shè)計(jì)：輸入級(jí)的設(shè)計(jì)：輸入級(jí)是由Q6、Q7、Q10組成帶有恒流源的差分放大電路，減小了電路的零點(diǎn)漂移，并且引入了深度直流負(fù)反饋，進(jìn)一步穩(wěn)定輸出A點(diǎn)的靜態(tài)電平。對(duì)于交流信號(hào)，因?yàn)镃2足夠大，可視為短路，所以其反饋系數(shù)F=R14/(R14+R13)，適當(dāng)選擇R14的數(shù)值，可以得到滿(mǎn)意的電壓增益。輸入級(jí)的電路如下圖所示：接推動(dòng)級(jí)接反饋 信號(hào)輸入輸入與輸出信號(hào)對(duì)比（2） 推動(dòng)級(jí)的設(shè)計(jì)： 采用Q5組成普通共射電路。為了擴(kuò)大輸出管的范圍，本級(jí)加了自舉電容C4。在

8、信號(hào)的負(fù)半軸內(nèi)，通過(guò)C4反饋，可為Q1提供足夠的基極電流，保證Q1、Q4充分導(dǎo)通。 推動(dòng)級(jí)的電路圖如下圖所示：信號(hào)輸入接功率放大級(jí)前后信號(hào)對(duì)比（3）功率輸出級(jí)的設(shè)計(jì)： 功率輸出級(jí)是由Q1，Q2，Q3，Q4組成的復(fù)合管準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路，可以得到較大的輸出功率。電阻R1，R2，R3，R4用來(lái)減小復(fù)合管的穿透電流，增加電路的穩(wěn)定性。偏置電路用晶體管Q9組成恒壓電路，保證功率輸出管有合適的電流，以克服交越失真。功率輸出級(jí)電路如下圖所示：經(jīng)推動(dòng)級(jí)放大后的信號(hào)輸入前后信號(hào)對(duì)比4.2電路中各個(gè)元器件的參數(shù)的計(jì)算： （1）確定電源電壓為了保證電路安全可靠的工作，通常使電路的最大輸出功率POM比額定輸出功率PO要

9、大一些。一般取 POM（1.52）Po我們這里設(shè)置PO = 6w, 所以POM就設(shè)為9W最大輸出電壓UOM應(yīng)根據(jù)POM來(lái)計(jì)算 電源電壓必須大于UOM。因?yàn)檩敵鲭妷簽樽畲笾禃r(shí)，Q2和Q4已接近飽和，考慮到管子的飽和壓降，以及發(fā)射極電阻的降壓作用，我們用下式表示電源電壓和輸出最大值的關(guān)系。 UOM=*VCC VCC=(1/)UOM=1/*SQRT(2P0M*RL)=20V式中，稱(chēng)為電源利用率，一般取 =0.60.8這里取=0.7（2）計(jì)算功率輸出級(jí)電路： 1）選擇大功率晶體管Q2和Q4。 主要考慮三個(gè)參數(shù)，即晶體管ce結(jié)承受的最大反向電壓U(BR)CEO，集電極最大電流I和集電極最大功耗PCM。

10、Q2和Q4承受的最大反壓 UCEMAX2VCC=40V 管集電極電流，若忽略管壓降則 IC2MAXVCC/（RL+R1） 因?yàn)镼2和Q4的射極電阻R1 R2選得過(guò)小，復(fù)合管穩(wěn)定性差，過(guò)大又會(huì)損耗較多的輸出功率。一般取 R1=R2=（0.050.1）RL 若取R1=R2=0.5，R1<<RL，則 IC2MAXVCC/RL2.5A 管集電極功耗。兩管在互補(bǔ)工作時(shí)，單管最大集電極功耗為 PC2MAX=(2/*)POM0.2POM1.8W 考慮到功率晶體管靜態(tài)電流Io，實(shí)際管耗要大一些，一般IO為2030mA，所以單管最大管耗為 PC2MAX0.2POM+IOVCC所以PC2MAX2.4W

11、，IO取最大30mA。 據(jù)功率晶體管極限參數(shù)選擇Q2和Q4。選擇合適的大功率晶體管，其極限參數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足 U（BR）CEO>UCE2MAX=40V ICM>IC2MAX=2.5A PCM>PC2MAX=2.4W 并使兩管24，參數(shù)盡量對(duì)稱(chēng)。Q2、Q4選擇型號(hào)為2N5686(2=4=135)。大功率管還應(yīng)考慮其工作環(huán)境的溫度以及散熱片問(wèn)題為了滿(mǎn)足電路性能要求，并便于設(shè)計(jì)計(jì)算。 2）選擇互補(bǔ)管Q3和Q1，計(jì)算R3,R4和R5。 確定R3，R4。因?yàn)镼2和Q4輸入電阻為 Ri2=rbe2+(1+2)R1 Ri4=rbe4+(1+4)R2 大功率晶體管rbe2,rbe4一般為10左右。又

12、因?yàn)橐驫3射極電流大部分注入Q1基極，所以通常取 R3=(510)Ri2同理 R4=(510)Ri4因?yàn)閮晒軈?shù)對(duì)稱(chēng)，所以Ri=Ri2=Ri4120，則取 R3=R4=8Ri所以R3=R4=960 故 R3=R41K 計(jì)算平衡電阻R5。因?yàn)镼3，Q1分別是NPN和PNP兩種管型，電路接法又不一樣，所以?xún)晒茌斎胱杩共幌嗟龋瑫?huì)使加在兩管基極的輸入信號(hào)不對(duì)稱(chēng)，為此，需加平衡電阻R5，以盡量保證兩復(fù)合管輸入電阻相等。要求 R5=R3/Ri2因?yàn)镽3>>Ri2,故可取R5Ri2=120。選擇Q3,Q1分別與Q2,Q4復(fù)合，它們承受的最大反壓相同，均為2VCC，所以在計(jì)算集電極最大電流和最大

13、管耗時(shí)，要考慮到R3,R4的分流作用和晶體管內(nèi)部的損耗。在工程計(jì)算中可近視認(rèn)為 IC3MAX=IC1MAX(1.11.5)IC2MAX/2這里的系數(shù)取1.4，所以IC3MAX=IC1MAX(1.11.5)IC2MAX/2=26mA PC3MAX=PC1MAX(1.11.5)PC2MAX/2=30mW選擇Q3，Q1，使其極限參數(shù)滿(mǎn)足 U(BR)CEO>2VCC=40V ICM>IC3MAX=26mA PCM>PC3MAX=30mWQ3為NPN型，Q1為PNP型，并使3=1。Q3為2SC1815，Q1為2SA1015。 算偏置電路。因?yàn)閁B3UB1UBE3+UBE2+|UBE1|

14、，設(shè) UBE3=UBE2=|UBE1|=0.75V所以 UB3UB12.25V又因?yàn)镼9接成電壓負(fù)反饋型，所以其給出的偏置電壓穩(wěn)定，輸出電阻很小，并有溫度補(bǔ)償作用。因?yàn)?UCE9=UB3UB1UBE9(R8+R9)/R9(設(shè)UBE9=0.7V)所以 (R8+R9)/R9=3 R8=2R9為了保證Q9基極電壓穩(wěn)定，取IR8=（510）ICQ9(其中ICQ9為Q9靜態(tài)工作電流，它要根據(jù)Q5的工作電流來(lái)確定，若忽略IR8和IR9的分流作用，可以近似認(rèn)為ICQ9ICQ5)，則 R9=UBE9/(IR8IBQ9)UBE9/IR84.5K R82UBE9IR89K為了調(diào)節(jié)偏置電壓的數(shù)值，R8可以改用一個(gè)固

15、定電阻和可調(diào)電阻并聯(lián)，使其并聯(lián)值等于R8。Q9管因?yàn)樽畲箅娏骱湍蛪阂蟛桓?，可以選普通3DG型晶體管即可。 （3）計(jì)算推動(dòng)級(jí)電路1）確定Q5的工作電流。為保證信號(hào)不失真，Q5工作在甲類(lèi)放大狀態(tài)，要求 ICQ5>>3IB3MAX3IC3MAX/3一般取 ICQ5=210mA這里取ICQ5=8mA2）計(jì)算R6，R7因?yàn)镼9偏置電路輸出阻抗很小，Q5的直流負(fù)載主要是（R6+R7），又因?yàn)?UB1=-0.75v所以 R6+R7=(VCC-UB4)/ICQ5從交流電路來(lái)看，R7實(shí)際與RL并聯(lián)。其阻值太小會(huì)損耗信號(hào)功率，太大又必然使R6減小。R6為共射電路有效負(fù)載，R6太小將會(huì)使推動(dòng)級(jí)的增益下

16、降。一般取 (1/3)*(R6+R7)>R7>20RL取R7=200，確定R7，則可以求出R6=1.5K. 3）計(jì)算自舉電容C4。 為了在最低工作頻率時(shí)C4的容抗遠(yuǎn)小于R7，一般取 C4=(310)1/2*fL*R7 式中fL=20Hz為下限截止頻率，C4160uF,并且C4采用電解電容。 4）選擇Q5管。 因?yàn)镼5是工作在甲類(lèi)放大狀態(tài)，一般要求 U(BR)CEO>UCE5MAX PCM>>VCCICQ5(一般取5VCCICQ5=1W)（4）計(jì)算輸入級(jí)電路 1）確定差分管工作電流。差分管Q6，Q7的集電極電流太大，會(huì)增加管耗，并使失調(diào)電壓和漂移增大；太小又會(huì)降低電

17、路的開(kāi)環(huán)增益，一般選 IC6=IC7(0.52)mA這里取IC6=IC71mA IC8=IC6+IC72）計(jì)算R10,R11和R12。 R10=UBE5/IC7=750為了使恒流源VT8的工作點(diǎn)穩(wěn)定，應(yīng)使流過(guò)VD1，VD2的電流ID>>IB8。因?yàn)镮B8=IC8/8。一般取ID>3mA，這里取53mA。則R11=VCC-(UD1+UD2)/ID80 (UD1=UD2=0.7)R12(UD1+UD2-UBE3)/IC8=7503）選擇Q6,Q7和Q10管。為使差分放大電路能夠穩(wěn)定可靠的工作，要求Q6,Q7滿(mǎn)足 U(BR)CEO>1.2VCC PCM>5PC=5(IC

18、6VCC)6=7，并且反向電流越小越好，Q10管亦可選用同類(lèi)的晶體管。這里用小功率的高頻管就可以了。 （5）計(jì)算反饋之路 差分電路引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使其輸入電阻提高，因此基極電阻R15對(duì)該級(jí)輸入阻抗影響很大。一般取R15=1547K之間。 另外，要使電路對(duì)稱(chēng)，要求R13=R15。這里R13=R15=33K。 又因?yàn)?Auf1+R13/R14 所以 R14R13/(Auf1)，R14=50 反饋電容C3應(yīng)保證在下限截止頻率時(shí)，其容抗仍遠(yuǎn)小于R14，一般取 C3>(310)·1/2fLR14，fL =20HZ這里C3=1500Uf,采用電解電容。 耦合電容一般取 C1>(3

19、10)·1/2fLR15，這里C1=5.7uF, 為電解電容。 （5）補(bǔ)償元件的選取 為了使負(fù)載在高頻時(shí)仍為純電阻，需加補(bǔ)償電阻R17和補(bǔ)償電容C6，一般取 R17 RL=8 C6=1/2*fH*R16=1uF。這里fH為上限截止頻率，fH=120KHZ，C6=1uF。為了消除電路高頻自激，通常在Q5的b、c極之間，R15兩端加消振電容，一般取100300PF，則取C2150PF，C5=300PF。以上就是整個(gè)電路的參數(shù)及元件的參數(shù)的計(jì)算過(guò)程。3.3總的原理圖4、電路仿真 一級(jí)一級(jí)逐步調(diào)試，示波器A端接輸入端、B端接輸出端，觀察示波器輸入及輸出波形，并分析對(duì)比判斷各級(jí)電路是否正確，為

20、了保證Q10組成的恒流源電流不至過(guò)大，保證輸出波形不容易失真，增大R11取R11350；最后對(duì)整體電路進(jìn)行調(diào)試，經(jīng)調(diào)試將R7改為500，則R6改為1.2K。調(diào)試完畢可接功率表，觀察功率放大情況，改變輸入電壓，觀察波形是否失真及功率變化情況。4.1 輸入與輸出波形對(duì)比 輸入信號(hào)頻率1KHz，輸入電壓20mV四心得體會(huì)及建議為期三周的課程設(shè)計(jì)很快結(jié)束，在這幾星期的學(xué)習(xí)、查資料、設(shè)計(jì)、仿真電路過(guò)程中我感觸頗深。使我對(duì)抽象的理論有了具體的認(rèn)識(shí)，更加牢靠的掌握了所學(xué)的理論知識(shí)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，使我把平時(shí)做模擬電子實(shí)驗(yàn)所掌握的知識(shí)得到更深次的了解和掌握，對(duì)儀表的使用更加的熟練，學(xué)會(huì)了怎樣去搭好一個(gè)整潔漂

21、亮的電路，學(xué)會(huì)了怎樣去根據(jù)課題的要求去設(shè)計(jì)電路和調(diào)試電路，還學(xué)習(xí)了兩種軟件Protel、Multisim，學(xué)會(huì)了使用這兩個(gè)軟件完成對(duì)電路的運(yùn)用。此次的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的成功是以經(jīng)歷了無(wú)數(shù)的失敗為前提的。整個(gè)設(shè)計(jì)制作獨(dú)立完成，增強(qiáng)了自身的動(dòng)手能力，使我真正的理解了理論聯(lián)系實(shí)際的重要性。關(guān)于自己所學(xué)的知識(shí)也有了新的看法，我們只有將自己所掌握的理論知識(shí)真正的運(yùn)用到社會(huì)實(shí)踐中去的時(shí)候，才能產(chǎn)生巨大的社會(huì)財(cái)富。 課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí) ,發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問(wèn)題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對(duì)我們的實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過(guò)程。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新月異，電子技術(shù)在生活中可以說(shuō)是無(wú)處不在，因

22、此做好電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)是十分必要的。 回顧起此次課程設(shè)計(jì)，至今我們?nèi)愿锌H多，從拿到題目到完成整個(gè)電路，從理論到實(shí)踐，在二十幾天的日子里，可以學(xué)到很多很多的東西，不僅鞏固了以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書(shū)本上所沒(méi)有學(xué)到過(guò)的知識(shí),提高了自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中可以說(shuō)得是困難重重，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了好多自己的不足之處，對(duì)一些前面學(xué)過(guò)的知識(shí)理解得不夠深刻、掌握得不夠牢固、不能很好的熟練的去使用所學(xué)的仿真軟件。通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)了團(tuán)隊(duì)合作的重要性和交流的必要性。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)電子技術(shù)有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和了解，要想學(xué)好它重在實(shí)踐，所以在以后的學(xué)習(xí)過(guò)程中，我會(huì)更加注重實(shí)踐操作，使自己更好地學(xué)好理論和技術(shù)。在課