模電課程設(shè)計(jì)——OCL功率放大器的設(shè)計(jì)

1、目錄一、 設(shè)計(jì)題目及要求1二、 題目分析和設(shè)計(jì)思路1三、 電路圖及電路原理2四、 電路參數(shù)確定4五、 電路的功能和性能驗(yàn)證6六、 設(shè)計(jì)成果6七、 總結(jié)與體會(huì)9八、 參考文獻(xiàn)及資料9一、設(shè)計(jì)題目及要求1. 設(shè)計(jì)題目OCL功率放大器的設(shè)計(jì)2. 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)集成運(yùn)放和晶體管組成的OCL功率放大器。設(shè)計(jì)任務(wù):(1) 輸入信號(hào)：有效值i200mV.(2) 最大輸出功率：P5W.(3) 負(fù)載電阻：RL=20(4) 通頻帶：BW=80HZ10KHZ二、 題目分析和設(shè)計(jì)思路1、題目分析 OCL功率放大器是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)。性能優(yōu)良的集成功率放大

2、器給電子電路功放級(jí)的調(diào)試帶來了極大的方便。集成功率放大電路還具有輸出功率大、外圍元件少、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，因此在收音機(jī)、電視機(jī)、擴(kuò)音器、伺服放大電路中也得到了廣泛的應(yīng)用。功率放大器可分為三種工作狀態(tài)：(1)甲類工作狀態(tài)Q點(diǎn)在交流負(fù)載的中點(diǎn)，輸出的是一種沒有削波失真的完整信號(hào)。(2)乙類工作狀態(tài)Q點(diǎn)在交流負(fù)載線和IB=0輸出特性曲線的交界處，放大器只有半波輸出。(3)甲乙類工作狀態(tài)Q點(diǎn)在交流負(fù)載線上略高于乙類工作點(diǎn)處。乙類互補(bǔ)的電路會(huì)產(chǎn)生交越失真，可采用甲乙類互補(bǔ)電路來消除。本次題目要求設(shè)計(jì)一個(gè)集成運(yùn)放和晶體管組成的OCL功率放大器，輸入信號(hào)有效值為i200mV；最大輸出功率值為P5W；且負(fù)載電阻

3、和通頻帶分別為：RL=20和BW=80HZ10KH。對(duì)于這個(gè)題目，可根據(jù)課本上所學(xué)的知識(shí)和基本OCL電路以及集成運(yùn)放的有關(guān)知識(shí)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。2、設(shè)計(jì)思路首先，根據(jù)題目的分析確定目標(biāo)，設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)是由哪些模塊組成，各個(gè)模塊之間的信號(hào)傳輸，并設(shè)計(jì)OCL功率放大器的初步電路圖。并考慮要用到元器件有哪些？其次，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，根據(jù)系統(tǒng)功能，選擇各模塊所用的電路形式和其具有的功能。 1然后，進(jìn)行參數(shù)的選擇和確定，根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)的要求，確定各模塊在電路中的元件參數(shù)。 最后，得出總電路圖，連接各模塊的電路，并進(jìn)行仿真和調(diào)試，多次重復(fù)得出正確的結(jié)果。 三、 電路圖及電路原理1、四運(yùn)算放大器 從集成運(yùn)放的符號(hào)看，可

4、以把它看作是一個(gè)雙端輸入、單端輸出、具有高差模放大倍數(shù)和抑制溫度漂移能力的放大電路。運(yùn)算放大器可用上圖所示的符號(hào)來表示，它有5個(gè)引出腳，其中1、2為兩個(gè)信號(hào)輸入端，5、4為正、負(fù)電源端，3為輸出端。2為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相反；1為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相同.它在電路圖中可構(gòu)成反向比例運(yùn)算電路。2、基本OCL電路原理2 原理分析：在上圖的OCL電路中，T1和T2特性對(duì)稱，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b-e間的開啟電壓可忽略不計(jì)；輸入電壓為正弦波。當(dāng)ui>0時(shí)，T1管導(dǎo)通，T2管截止，正電源

5、供電，電路為射極輸出形式，u0ui.當(dāng)ui<0時(shí)，T1管截止，T2管導(dǎo)通，負(fù)電源供電，電路也為射極輸出的形, u0ui.既電路中T1和T2是交替工作，正、負(fù)電源交替供電，輸出和輸入之間雙向跟隨。但這種互補(bǔ)的電路會(huì)產(chǎn)生交越失真，從而影響電路的性能。為了消除這種交越失真可采用下面的電路圖。消除交越失真的OCL電路：電路的原理：靜態(tài)時(shí)，從+VCC經(jīng)過R4、R5、D1、D2、R6到-VCC有一個(gè)直流電流，它在T1和T2管兩個(gè)基極之間所產(chǎn)生的電壓為 UB1B2=UR5+UD1+UD2 使UB1B2略大于T1管發(fā)射結(jié)和T2管發(fā)射結(jié)開啟電壓之和，從而使兩只管子均處于微導(dǎo)通態(tài)，即都有一個(gè)微小的基極電流，

6、分別為IB1和IB2。調(diào)節(jié)R2，可使發(fā)射極靜態(tài)電位為0V，即輸出電壓U0為0V。3 當(dāng)所加的信號(hào)按正弦規(guī)律變化時(shí)，由于二極管D1、D2的動(dòng)態(tài)電阻很小，T1管基極電位的變化與T2管基極電位的變化近似相等，可認(rèn)為兩管基極之間電位差基本是一恒定值，兩個(gè)基極的電位隨Ui產(chǎn)生相同變化。這樣，當(dāng)Ui>0V且逐漸增大時(shí)，T2管截止，當(dāng)Ui<0V且逐漸減小時(shí)，T1管截止。這樣，即使Ui很小，總能保證至少有一只晶體管導(dǎo)通，因而消除了交越失真。3、總電路圖 根據(jù)以上分析和設(shè)計(jì)，得初步的總電路圖如下：四、 電路參數(shù)確定1、 電源電壓的確定：（1） 交流電源200mV由示波器提供。（2） 直流電源電壓的計(jì)

7、算：電源電壓的高低，決定著輸出電壓的大小，而輸出電壓又由輸出功率決定，所以指標(biāo)給定了輸出功率，即可求出電源電壓：4因?yàn)樗暂敵鲭妷鹤畲笾礦OM=2P0RL=2×5×20=14.14V當(dāng)輸出電壓為最大值時(shí)，T1、T2接近于飽和，考慮到T1、T2的飽和壓降及發(fā)射極電阻上的壓降等因素，電源電壓必須大于，他們之間的關(guān)系為，一般取. 本次設(shè)計(jì)取=0.8,這樣，Vcc=Vom/0.8=14.14/0.8=17.7V，則取電壓Vcc=18V,-Vcc=-18V.2、 電路中各參數(shù)的確定當(dāng)電源電壓Vcc確定后，T1和T2承受的最大電壓為VCEmax=2×18=36V.功率管的飽和

8、壓降VCES0.3V，若忽略T1、T2的管壓降，則每個(gè)管的最大集電極電流 Iemax=Vcc/(R7+R8+RL)因?yàn)門1和T2的射極電阻R8、R9選的過小，復(fù)合管的穩(wěn)定性差，而過大了又會(huì)損耗較多的輸出功率，一般取R8=R9=（0.010.1）RL,但相對(duì)來說R7、R10取的要大一些。已知RL=20，則R8=R9=0.025RL=0.025×20=0.5R7=(Vcc-U0-UCES-UR8)/R710K，由于電路的對(duì)稱性，可得R1010K.初步選擇四運(yùn)算放大器為L(zhǎng)M1877，T1為2N3904，T2為2N5401，兩個(gè)二極管為1N4001.調(diào)試時(shí)再進(jìn)行驗(yàn)證，若不正確，再進(jìn)行修改。

9、中間R4、R5和兩個(gè)二極管以及R6和三極管組成消除交越失真的OCL電路，考慮到電路前后的關(guān)系和影響，為保證中間電路的正常進(jìn)行，R5、R6不宜過大，最好是小于或等于R7和R10.而R4要較小，至少應(yīng)為R5的千分之一。UB1B2=UR5+UD1+UD2 Vcc=UR4+ UB1B2+UR6 I=(Vcc-1.4)/(R4+R5+R6)R6=(Vcc-UR6)/I R5= UB1B2/I R4 =(Vcc-UR6- UB1B2)/I將已知條件代人上面的式子中就可得： R5=R610K，R41 對(duì)于C1和C2，因?yàn)檩斎氲慕涣麟妷盒?00mV,所以其電容值也不宜過大，C1是輸入耦合電容，隔直通交，用于

10、信號(hào)傳遞，取值0.1uF1uF， C2起隔直流作用，取值為5uF15uF，.再根據(jù)電路進(jìn)行調(diào)節(jié)。5最后，R1、R2、R3及四運(yùn)算集成放大器構(gòu)成一個(gè)反相比例運(yùn)算電路，也是一個(gè)電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路,如下圖： 則：R2=R1R3 ，而且其值都不能太大，取R1=R3=5K，則：R2=R1×R3/(R1+R3)=5×5/(5+5)=2.5K五、電路的功能和性能驗(yàn)證 根據(jù)上面確定的參數(shù)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，當(dāng)+Vcc=18V，-Vcc=-18V，負(fù)載電阻RL=20時(shí)，由總電路圖分析可得：信號(hào)源輸出有效值Vi=200mV（測(cè)量值），輸出得到負(fù)載端電壓有效值V0=14.1V，這與計(jì)算的Vom=14.

11、14V相符。電路總電流I=0.705A。負(fù)載得到的功率P0=9.94W，大于5W。毫無疑問此電路有放大的功能，輸入Vi=200mV,輸出V0=14.1V，則電路的放大倍數(shù)為Auf=V0/Vi=14.1V/200mV=70.5在保證輸入信號(hào)Ui大小不變的條件下，改變信號(hào)發(fā)生器的頻率，用交流毫伏表測(cè)出U0=0.707Uom時(shí)，所對(duì)應(yīng)的放大器上線截止頻率fH和下線截止頻率fl分別為fl83HZ，fH12KHZ。 由以上分析可得驗(yàn)證的結(jié)果與題目的要求基本相一致，說明上面設(shè)計(jì)的電路圖和確定的參數(shù)已基本正確。六、設(shè)計(jì)成果1、 最終電路原理圖：62、 信號(hào)發(fā)生器的輸入信號(hào)： 當(dāng)信號(hào)發(fā)生器輸入信號(hào)值為141m

12、V時(shí)，用萬用表測(cè)得其輸入電壓的有效值Ui=199.4mV200mV，如下圖所示： 3、 輸入和輸出波形 用示波器測(cè)量輸入和輸出波形，將示波器A、B通道分別接到信號(hào)發(fā)生器輸出端和U0 端，得波形如下圖：7 4、波特圖儀通頻帶 用波特圖儀測(cè)量通頻帶的結(jié)果如上圖所示，則得到其上限頻率和下限頻率分別為:fL=84.63HZ,fH=12.48KHZ. 5、元器件明細(xì)表元器件代號(hào)名稱型號(hào)備注U1四運(yùn)算放大器LM1877放大 024V 2WT1三極管2N3094通用 60V 0.2AT2三極管2N5401音頻放大 0.6AD1二極管1N4001整流 低頻 50VD2二極管1N4001整流 低頻 50V8 此

13、外，還用到電阻11個(gè)，電容2個(gè)，信號(hào)發(fā)生器1個(gè)，波特圖儀1個(gè)，示波器1 個(gè)。6、相關(guān)說明 電路用EWB或Multisim進(jìn)行仿真調(diào)試時(shí)，在工作界面上畫出上面的總電路圖，并標(biāo)好參數(shù)值，注意不要弄錯(cuò)，進(jìn)行調(diào)試和性能測(cè)試時(shí)，要注意元器件的使用，信號(hào)發(fā)生器和波特圖儀的接點(diǎn)參數(shù)要正確。七、總結(jié)與體會(huì)為期一個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)，讓我對(duì)模擬電子技術(shù)有了更進(jìn)一步的熟悉和了解，也讓我知道我們課本上的知識(shí)在實(shí)際中怎么應(yīng)用，怎么去操作。盡管在實(shí)際中操作起來很困難，我還是克服了。它和課本上的知識(shí)有很大聯(lián)系，但又高于課本，一個(gè)看似很簡(jiǎn)單的電路，要?jiǎng)邮职阉O(shè)計(jì)出來就是比較困難的。這就要求我們要把課本上所學(xué)到的知識(shí)和實(shí)際聯(lián)系起

14、來，同時(shí)通過本次電路的設(shè)計(jì)，不但鞏固我們所學(xué)的知識(shí)，也使我們把理論與實(shí)踐從真正意義上結(jié)合起來，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的興趣，考驗(yàn)我們借助互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)搜集、查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，和組織材料的綜合能力。 一開始，我剛拿到這個(gè)題目時(shí)覺的它還算簡(jiǎn)單，但是等到實(shí)際操作的時(shí)候很多問題就出來了。但在老師的指導(dǎo)下，我結(jié)合課本和上課時(shí)老師講述的知識(shí)，大量的查閱資料，慢慢的開始一點(diǎn)一點(diǎn)的有了解題的思路。對(duì)它的興趣也是越來越深，那種自己實(shí)際設(shè)計(jì)制作的快樂感覺是不曾有過的。雖然快樂但課程設(shè)計(jì)的過程也是艱辛的，不過收獲也是巨大的。它不但加深鞏固了對(duì)已有的知識(shí)的理解、認(rèn)識(shí)和實(shí)際操作能力；而且因?yàn)檫@次課程設(shè)計(jì)的確在某些方面存有一定難度，這對(duì)我們來講都是一種鍛煉，培養(yǎng)了我們自學(xué)、查閱搜集資料的能力；再有，計(jì)算操作過程中，我們?cè)?jīng)面臨過失敗、品味過茫然，但是最終我們還是堅(jiān)持下來了，這就是我們意志、耐力和心靈上的勝利，在今后的日子里，它必將成為我們的寶貴財(cái)富。通過這次的課程設(shè)計(jì)，我深刻體會(huì)到了自己知識(shí)的匱乏，原來自己所學(xué)的東西只是一個(gè)表面性的，當(dāng)然這次