OCL功率放大器的設(shè)計(jì)報(bào)告解析

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目： 由集成運(yùn)放和晶體管組成的OCL 功率放大器的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 郭二珍 學(xué)生學(xué)號： 系 別： 電氣學(xué)院 專 業(yè)： 自動(dòng)化 屆 別： 2015年 指導(dǎo)教師： 廖曉緯 電氣信息工程學(xué)院制2014年3月OCL功率放大器的設(shè)計(jì)學(xué)生：郭二珍指導(dǎo)老師：廖曉緯電氣學(xué)院10級自動(dòng)化1、 緒論功率放大器(簡稱功放)的作用是給音頻放大器的負(fù)載RL(揚(yáng)聲器)提供一定的輸出功率。當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，希望輸出的功率盡可能大，輸出信號的非線性失真盡可能地小，效率盡可能高。OCL是英文Output Capacitor Less的縮寫，意為無輸出電容的功率放大器。采用了兩組電源供電，使

2、用了正負(fù)電源。在輸入電壓不太高的情況下，也能獲得較大的輸出頻率。省去了輸出端的耦合電容，使放大器的頻率特性得到擴(kuò)展。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)良的集成功率放大器給電子電路功放級的調(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，但效率較低。(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

3、波輸出，存在嚴(yán)重的失真。 (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，克服了乙類互補(bǔ)電路產(chǎn)生交越失真，提高了效率。因此，本設(shè)計(jì)可采用甲乙類互補(bǔ)電路。2、內(nèi)容摘要本設(shè)計(jì)中要求設(shè)計(jì)一個(gè)由集成運(yùn)放和晶體管組成的OCL功率放大器。在輸入正弦波幅度Ui等于200mV，負(fù)載電阻RL等于8的條件下最大輸出不失真功率Po2W，功率放大器的頻帶寬度BW80Hz10KHZ功率放大電路實(shí)質(zhì)上是能量轉(zhuǎn)換電路，它主要要求輸出功率盡可能大，效率盡可能的高，非線性失真盡可能要小，功率器件的散熱較好。本設(shè)計(jì)選用的是雙電源供電的OCL互補(bǔ)推挽對稱功放電路。此推挽功率放大器的工作狀態(tài)為甲乙類，其目的是為了減少“交越

4、失真”。由于兩管的工作點(diǎn)稍高于截止點(diǎn)，因而均有一很小的靜態(tài)工作電流ICQ。這樣，便可克服管子的死區(qū)電壓，使兩管交替工作處的負(fù)載中電流能按正弦規(guī)律變化，從而克服了交越失真。OCL互補(bǔ)推挽對稱功放電路一般包括驅(qū)動(dòng)級和功率輸出級，前者為后者提供一定的電壓幅度，后者則向負(fù)載提供足夠的信號頻率，以驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。因此，需要設(shè)計(jì)兩部分，即驅(qū)動(dòng)級和功率輸出級。 一、 設(shè)計(jì)題目及要求1. 設(shè)計(jì)題目由集成運(yùn)放和晶體管組成的OCL功率放大器的設(shè)計(jì)2. 設(shè)計(jì)要求（任務(wù)）：用一片集成電路芯片和若干個(gè)晶體管設(shè)計(jì)一個(gè)OCL功率放大器主要技術(shù)指標(biāo)：（1）輸入信號：有效值Ui200mV；（2）最大輸出功率：PO2W；（3）負(fù)載

5、電阻：RL=8；（4）通頻帶：BW=80 Hz -10K Hz；二、設(shè)計(jì)思路與步驟設(shè)計(jì)一個(gè)功率放大電路。電路主要由兩大部分組成，即驅(qū)動(dòng)級和輸出級，驅(qū)動(dòng)級如果采用分立元件，其內(nèi)部電路較為復(fù)雜，它由輸入級、中間級、輸出級及偏置電路四部分組成，這樣會(huì)加大計(jì)算的難度且不易在實(shí)際工程中使用。因此，本電路采用集成元件實(shí)現(xiàn)。集成運(yùn)算放大電器是一種直接耦合的多級放大電路，具有放大倍數(shù)高、輸入電阻高、輸出電阻低的特點(diǎn)，為后面的電路提供足夠的電壓幅度。設(shè)計(jì)的一般步驟：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

6、次，對系統(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。 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、 整體電路框圖 OCL互補(bǔ)對稱功放電路一般包括驅(qū)動(dòng)級和功率輸出級，前者為后者提供一定的電壓幅度，后者則向負(fù)載提供足夠的信號頻率，以驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。輸入交流信號驅(qū)動(dòng)級運(yùn)算放大器電路負(fù)反饋電路末級功放電路OCL互補(bǔ)對稱功放電路輸 出保護(hù)電 路輸出級偏置電路3.1.1電路整體結(jié)構(gòu)框圖 四、 電路圖與電路分析4.1 基本反向運(yùn)算放大電路 （驅(qū)動(dòng)級）從集成運(yùn)放的符號看，

7、可以把它看作是一個(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)算放大器可用下圖所示的符號來表示，它有5個(gè)引出腳，其中5、6為兩個(gè)信號輸入端，2、7為正、負(fù)電源端，1為輸出端。5為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相反；6為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號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。4.1.1集成運(yùn)放電路如上圖4.1.1所示，輸入電壓通過R1作于運(yùn)放的反向端,R3跨接在運(yùn)放的輸入端和反向端之間，同相端接地。由“虛斷”、“虛短”、“虛地”的概念可求出其電壓增益： v i/R1=_-v0/R3 Av=u0/ui=-R3/R

8、1由上圖中數(shù)據(jù)計(jì)算得其放大倍數(shù)Av=u0/ui=-R3/R1=600/10=60倍集成運(yùn)放的仿真圖如下4.1.2集成運(yùn)放的仿真電路圖1) 若輸入信號Ui=200mv，頻率=100HZ的正弦波時(shí)可得如下的波形圖4.1.3仿真波形圖由以上波形圖可知通道A的電壓有效幅值為200mv，通道B的電壓的幅值為100v放大倍數(shù)Av=100/0.2=500倍通過調(diào)節(jié)通道B的電壓值可得到不同的電壓放大倍數(shù)。2) 點(diǎn)擊幅頻按鈕可以在波特圖觀察窗口顯示幅頻特性曲線4.1.4頻率特性曲線圖3) 點(diǎn)擊相頻按鈕可以在波特圖觀察窗口顯示相頻特性曲線4.1.5相頻特性曲線圖4.2 OCL互補(bǔ)對稱電路1） 雙電源供電;2） 輸

9、出端不加隔直電容。C的作用：隔直通交；儲存電能，代替一個(gè)電源。4.2.1消除交越失真的多級OCL電路其仿真電路圖如下4.2.2多級放大的OCL仿真電路圖調(diào)節(jié)RP2=50%時(shí)，其波形圖如下：4.2.3仿真波形圖將上圖兩二極管短路，其仿真電路圖如下：4.2.4二極管短路仿真電路圖其波形圖為 4.2.5二極管短路仿真波形圖觀察波形圖可知當(dāng)二極管被短路時(shí)，電路將出現(xiàn)較為嚴(yán)重的失真現(xiàn)象。由此可以看出利用二極管進(jìn)行偏置的互補(bǔ)對稱電路可以克服電路的失真現(xiàn)象。3） 靜態(tài)分析工作原理 三極管Q1和Q2為NPN型管和PNP型管，Q1、Q2組成互補(bǔ)輸出級。靜態(tài)時(shí)，在D3、D4上產(chǎn)生的壓降為Q1、Q2提供了一個(gè)適當(dāng)?shù)?/p>

10、偏壓，使之處于微導(dǎo)通狀態(tài)。由于電路對稱，靜態(tài)時(shí)ic1=ic2,iL=0,v0=0。而當(dāng)有信號時(shí)，由于電路工作在甲乙類，即使vi很小，基本上可線性地進(jìn)行放大。動(dòng)態(tài)時(shí)，當(dāng)信號處于正半周時(shí)，Q2截止，Q1承擔(dān)放大任務(wù)，有電流通過負(fù)載RL。而當(dāng)信號處于負(fù)半周時(shí)，Q1截止，Q2承擔(dān)放大任務(wù)，仍有電流流過負(fù)載RL。這樣就能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)時(shí)兩管不導(dǎo)電，而有信號時(shí)Q1、Q2輪流導(dǎo)電。靜態(tài)時(shí)支路的電流可由下式計(jì)算：I0=(VCC+VSS-2VD)/(R4+RB+R6)式中，為二極管的正向?qū)▔航怠?為了減少靜態(tài)功耗和克服交越失真，靜態(tài)時(shí)Q1、Q3應(yīng)工作在微導(dǎo)通狀態(tài)，即滿足下列關(guān)系：VD1+VD2=VB1+VBE2稱此

11、狀態(tài)為甲乙類狀態(tài)。二極管、與三極管Q1、Q2應(yīng)為同類型的半導(dǎo)體材料，如、為硅二極管2N3094和2N3096，則Q1、Q3應(yīng)為硅三極管。RP2用于調(diào)整復(fù)合管的微導(dǎo)通狀態(tài)，其調(diào)整范圍不能太大，一般采用幾百歐姆或1K電位器，安裝電路時(shí)首先應(yīng)使RB的阻值為0，在調(diào)整輸出級靜態(tài)工作電流或輸出波形的交越失真時(shí)再逐漸增大阻值。否則會(huì)因?yàn)镽P2的阻值較大而使復(fù)合管損壞。4） 靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置 為防止輸出端與負(fù)載RL直接耦合，造成直流電流對負(fù)載的影響，輸出端的靜態(tài)電位必須為零。若輸出端電位不為零，可能會(huì)造成負(fù)載的發(fā)熱等一系列的問題，解決方法是在輸出端加電容。 假設(shè)參數(shù)完全對稱,靜態(tài)時(shí)功放的輸出端UO對地的電位應(yīng)

12、為0，Uo=0,輸出點(diǎn)稱為“交流零點(diǎn)”。 Q1、Q2工作在乙類狀態(tài)，輸出信號會(huì)出現(xiàn)失真，過大會(huì)增加靜態(tài)功耗使功放的效率降低。綜合考慮，對于數(shù)瓦的功放，一般取=1mA3mA，以使Q1、Q2工作在甲乙類狀態(tài)。5) 參數(shù)的計(jì)算電源電壓的確定(1)交流電源200mV由示波器提供。(2)直流電源電壓的計(jì)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：因?yàn)樗暂敵鲭妷鹤畲笾礦OM=2*PO*RL取絕對值,本次試驗(yàn)選取VCC=+12V,VSS=-12V。(3) 若取靜態(tài)電流，由下式： I0=(VCC+VSS-2VD)/(R4+R6+RB)得R4

13、+R6+RB=(24-1.4)/1mA=22.6kR4=(VCC-VBE1)/I0=(12-0.7)/1mA=11.3K由電路的對稱性取R4=R6=11K,RB為1K的電位器，用于調(diào)節(jié)電路的失真波形。 由工程經(jīng)驗(yàn)知： R8和R12用于減少復(fù)合管的穿透電流，提高電路的穩(wěn)定性，一般為幾十歐姆到幾百歐姆。R13、R14為負(fù)反饋電路，可以改善功放的性能，一般為幾歐姆。R7、R9稱為平衡電阻，使1T、3T的輸出對稱，一般為幾十歐姆至幾百歐姆。6）元器件清單元器件名稱元器件名稱元器件參數(shù)數(shù)目電阻R110K1R3600K1R4、R611K2RP25001RL81R1010K1R7、R91002R8、R122

14、402R13、R1412電容C21uF2C315uF1二極管D3、D41N53992三極管Q12N39041Q22N30961Q3、Q42N22222運(yùn)放3554AM14.2.6元件列表用到的仿真設(shè)備有：函數(shù)信號發(fā)生器、瓦特表、示波器、波特圖儀。7）本設(shè)計(jì)電路的總體設(shè)計(jì)圖如下這是由集成運(yùn)放與晶體管組成的OCL功放電路如下圖所示。其中運(yùn)放為驅(qū)動(dòng)級，晶體管Q1-Q4組成復(fù)合式晶體互補(bǔ)對稱電路。4.2.7總電路圖由電路圖可知，本設(shè)計(jì)采用集成運(yùn)放作為驅(qū)動(dòng)級的OCL功率放大電路，是由輸入級、驅(qū)動(dòng)級、輸出級及偏置電路組成。輸入級由C2和R10組成，驅(qū)動(dòng)級采用集成運(yùn)放,輸出級由雙電源供電的OCL互補(bǔ)對稱電路

15、構(gòu)成。為了克服交越失真，由二極管和電阻構(gòu)成輸出級的偏置電路，以使輸出級工作于甲乙類狀態(tài)。為了穩(wěn)定工作狀態(tài)和功率增益并減小失真，電路中引入反饋。該放大電路采用復(fù)合管無輸出耦合電容，并采用正負(fù)兩組雙電源供電。五、 電路的仿真和調(diào)試1） 總仿真電路圖如下5.1.1總仿真電路圖2）當(dāng)輸入頻率為100Hz，有效值為141mv的正弦波時(shí) （1）雙擊示波器按鈕可得如下波形圖5.1.2仿真波形圖（2）雙擊瓦特表可得輸入功率與輸出功率如下5.1.3功率示數(shù)表由瓦特表的上的示數(shù)可計(jì)算出其功率的放大倍數(shù)為Po/Pi=(2326*)/970.665=由計(jì)算可知其功率的放大倍數(shù)很大，為輸入功率的倍。(3）在保證輸入信號

16、Ui大小不變的條件下，改變信號發(fā)生器的頻率，用交流毫伏表測出U0=0.707Uom時(shí)，所對應(yīng)的放大器上限截止頻率fL和下限截止頻率fH分別為fL=71.444HZ，fH=58.729KHZ。點(diǎn)擊幅頻按鈕可得如下幅頻特性圖5.1.4幅頻特曲線性圖六、 PROTEL畫圖和PCB板制作Protel畫圖的具體步驟：（1首先進(jìn)入protel99，并新建一個(gè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫Mydesign.ddb，選擇Schematic.Document來創(chuàng)建一個(gè)電路原理圖設(shè)計(jì)文件sheet1.ddb。雙擊sheet.ddb進(jìn)入原理圖設(shè)計(jì)主界面。（2）a 元件庫管理器 b 放置元件 c 編輯元件屬性d 元件的調(diào)整（如：移動(dòng)、旋

17、轉(zhuǎn)、復(fù)制、刪除）移動(dòng)：Space鍵：讓元件作90的旋轉(zhuǎn)；X鍵：元件左右對調(diào)。Y鍵：元件上下對換。e 元件連線繪制導(dǎo)線、放置節(jié)點(diǎn)、放置電源和接地符號、放置I/O端口f 原理圖電氣規(guī)則檢查g 報(bào)表的生成及原理圖的輸出如果有錯(cuò)誤要檢查原理圖并改正其錯(cuò)誤。下圖是用protel畫的原理圖：6.1.1原理電路圖Protel制PCB板的步驟（1）創(chuàng)建PCB文件 在PCB document里創(chuàng)建PCB文件（2）熟悉PCB里的一些常用的元件和相關(guān)的名詞如板層，板框，飛線。銅模走線，焊點(diǎn)，導(dǎo)孔等。（3）熟悉工具條（4）制作PCB板a 定義邊框；b 加載網(wǎng)絡(luò)表；c 擺放元件；d 自動(dòng)布線；e 修改邊框；f 手動(dòng)修改

18、導(dǎo)線；g 放置漢字標(biāo)志等。下圖為PCB板電路圖： 6.1.2 PCB板圖七、小結(jié)通過這次OCL功率放大器的設(shè)計(jì)，我對以前所學(xué)的電路和模電知識有了更深層次的理解與鞏固，并學(xué)會(huì)了使用Multisim軟件，對電路進(jìn)行仿真，也鞏固了PROTEL軟件的操作與使用，并制作出電路的PCB印制電路板圖。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，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。 設(shè)計(jì)一個(gè)很完整的電路，需要不斷的嘗試摸索，在實(shí)際操作的過程中，我結(jié)合課本和上課時(shí)老師講述的知識，查閱資料，慢慢的開始對題目有了思路。對它的工作原理也越來越了解。雖然課程設(shè)計(jì)的過程是艱辛的，不過收獲也是巨大的。它不但加深鞏固了對已有的知識的理解、認(rèn)識和實(shí)際操作能力，而且還加強(qiáng)了對計(jì)算機(jī)軟件的操作能力，這對我來講是一種鍛煉，培養(yǎng)了我自學(xué)、查閱搜集資料的能力。通過這次課設(shè)，我也深刻體會(huì)到了自己知識的匱乏。意識到自己所學(xué)的知識的膚淺，只是一個(gè)表面性的，理論性的，根本不能夠解決在現(xiàn)實(shí)中存在的很多問題。因此，學(xué)習(xí)中應(yīng)多與實(shí)際應(yīng)用相聯(lián)系?？傊?，通過這次設(shè)計(jì)