毕业设计（论文）-OTL功放电路设计与制作.doc

摘要在模拟电子线路中，电信号经过放大之后，往往要去推动执行机构完成人们所预期的功能，例如推动喇叭发声，推动继电器实现控制等。执行机构要正常工作都需要从电路中获取较大的电能。因此，放大电路的末级均由功率放大器组成。功放(功率放大器)的原理就是利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。 因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的倍，是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流(或电压)是原先的倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流及电压放大，就完成了功率放大。 而场效应管则是用栅极电压来控制源极与漏极的电流，其控制作用用跨导表示，即栅极变化一毫伏，源极电流变化一安，就称跨导为1，功率放大器就是利用这些作用来实现小信号控制大信号，从而使多级放大器实现了大功率的输出，并非真的将功率放大了！关键字：OTL，放大倍数，差分目录摘要1目录2一 设计要求31.基本要求32.扩展要求3二 整体设计方案41.系统设计框图42.OTL硬件电路总图4三 各单元电路简介51.前置放大电路5（1）前置电路的作用5（2）前级放大电路的构成52.响度控制器63.音量控制电路74.音调控制器75.音调补偿电路86.音调均衡电路97.差分放大电路9（1）差分放大电路的组成9(2)差分放大电路的输入和输出方式9(3)差模信号和共模信号10(4)差分放大电路的静态计算10(5) 差分放大电路的差模工作状态11(6) 共模状态动态计算13(7)恒流源差分放大电路148.OTL后级功率放大电路15（1）OTL后级功率放大器基本电路特点15（2）本机OTL电路介绍169.电源电路17四 整机调试171 空载调试182 带假负载调试183 接实际负载调试19五 结束语20六 参考文献21一 设计要求1.基本要求本课题所设计的OTL功率放大器额定输出功率为30W，用作扩音机电路中的功率输出级。设计指标:（1）额定输出功率P。=30 W.（2）负载电阻RL=8 （3）频率响应：fL=100 Hz，fH=20 kHz。（4）信号源内阻:Rg=2 k。（5）电路的电压增益Av40，输入Vi160mV。（6）要求自制印刷电路板，装出电路，达到各项指标要求。2.扩展要求（1）主通频带在50-50KHz之间。（2）在电源电压不超过 + 15V情况下，输出功率达到50W。（3）信噪比20dB。二 整体设计方案1.系统设计框图图1-1 整体系统框图2.OTL硬件电路总图图1-1 整体系统框图三 各单元电路简介1.前置放大电路（1）前置电路的作用前级控制与放大电路，前与音响信号源相连后与功率放大部分相连。一般来说，面板上大部分控制按键、控制开关、控制旋钮都是该电路的组成部分，它们控制着整个音响系统信号源的选择、音量的控制、等响度、平衡度、高音低音音调调节等功能，故此部分电路亦称为“音响控制中心”。不同的功放，其前级控制与放大电路中的各功能电路，特别是前置放大电路与混合放大电路，有不同的安排方式。有些将前置放大电路、混合放大电路独立安排；而更多的则考虑到目前功放所驳接的音源设备主要是CD、VCD、DVD等，这些音源的输出信号的电压幅度足够高(一般都在1V2V)、输出内阻低，因而将前置放大与混合放大两部分合在一起，成为前置混合放大电路。（2）前级放大电路的构成下图是本机前置放大电路图：图2.1前置放大电路图信号经4.7uf电容和510欧电阻直接送入2N4250进行前级放大，其中270K电阻和100P电容为前级下拉电阻，起到了减小前级无输入时的干扰电压输入，6K2电阻和150P电容为2N4210的下偏置电阻。由于话筒信号比较微弱，一般只有几毫伏到几十毫伏，而延时集成电路的输人电平必须达到一定值(如250mV)之后，才能获得足够高的信噪比，因此，所有的卡拉OK电路均设有话筒(MIC)前置放大器。有些机器的前置放大器仍然采用分立元件，而更多的则是采用双运放集成块。同时，为了兼顾使用的方便，还设置了话筒音量控制电位器。有些机器是先将两路话筒信号分别进行前置放大后再混合，有些机器则是先将两路话筒信号混合后，再进行前置放大的。另外，机器中可只设一只话筒量电位器，同时对两路或多路话筒音量进行控制；也可设置两只或多只话筒音量电位器，分别对各路话筒的音量进行控制。话筒音量控制电位器既可设在前置放大电路中，也可设置在混合缓冲放大电路中。输入端灵敏度最高，约01V左右。为了防止内外噪波信号的串入而产生干扰，从输入端子开始，至音量控制电位器，再到输入管的栅极，其音频输入信号线应全部采用金属屏蔽隔离线，走线应按照距离最近为原则。2.响度控制器人耳对不同频率声音响度的灵敏度相差很大，频率越低，灵敏度越差。例如40dB的1000Hz中4 4徐轮森音，要比声压级相同的100Hz的低音响得多，如果要使100Hz的低音听起来和40dB的1000Hz中音的响度相同，必须把声压提高到5ldB。因此，在测量声压级时必须按照人耳灵敏度特性的等响度曲线，加入对各种频率具有均衡性质的网络，才能直接测出入耳响度的计权声压。功率放大器在音量开小时，聆听者往往会觉得低音不足，这就是等响度曲线所反映出的人耳听觉特性所造成的。为了弥补人耳听觉的缺陷，因此，在前置放大器中通常可增设响度控制电路，利用频率补偿网络适当地提升低音和高音分量。图I是响度控制电路。在响度控制电路图中，由于CI电容器的容抗随着信号频率降低而增大，因而有利于低频分量的传输，相当于提升了低音；此外由于C2电容器的容抗随着信号频率的升高而减少，有利于高频分量的传输，图1 响度控制电路故高音也被提升。当响度控制电位器旋至下端时，输出音量减小，而低音和高音的相对提升保持不变；当电位器旋至上端时，输出音量增大，而低音和高音的相对提升量减小。3.音量控制电路音量控制器是用来调节输入功率放大器的信号电平，以控制扬声器的输出功率大小。一般在功放的前级采用可变电位器来作音量控制。连续式可调电位器的阻值一般为100kQ500kQ，但必须选用指数型WTHZ、WTHS规格，这样才能符合听音的习惯。其电路非常简单，由可变电阻对地组成分压电路，直接控制信号电平高低。采用连续式可变电位器来控制音量，由于音频信号直接通过电位器，使用日久后因磨损而产生转动噪声时，会在扬声器中出现喀啦喀啦的噪声。此外，如果在安装时，连接导线屏蔽不好或接地点选择不当，还会产生感应交流声。步式电位器比连续电位器有所改善，可以避免在调控过程中产生接触与摩擦噪声。波段式音量控制器是采用多档波段开关与精密电阻按照指数方式串联组装而成，特别适合在一些高档双声道的功率放大器中使用，通过面板上的刻度指示，容易做到两声道的平衡。图2.2 等响度音量调节电路4.音调控制器音调控制器是用来满足聆听者对音色的不同要求和爱好的。有人喜欢倾听低音强劲的节奏，也有人特别欣赏高音的穿透能力，使用音调控制器更可以增强音乐的情调。音调控制器是用来调节音频信号中高频、中频和低频成分的比例，以改变前级放大器的频率响应特性，使信号中不同频率成分产生不同程度的提升或衰减，以达到改变放大电路频率响应的目的。图2是最简单的音调控制器。在图2中，采用可变电位器R与一个固定电容C跨接在放大管的屏极回路或栅极回路与地之间，调节可变电位器的阻值，即可改变电容器对高频的旁路作用。当阻值增加时，此旁路阻抗亦增加，即电容器等于没有作用，高音频不易通过电容器入地，放大管将前级传来的信号全部进行放大；当电位器阻值减小时，则旁路阻抗减小，电容器的旁路作用加大，音频信号中的高音成分入地，相对的低音成分增加，故显得低音丰满。图2.3 最简单的音调控制器C1与RP2其作用只能衰减高音，对高音的强弱起到调节作用，称为高音控制。C2与R2是串联.改变R2的阻值即控制C2的作用，当R2变大时C 2的影响增加对低音通过就困难，只允许高音通过；当R2减小时，C2的影响减小，低音则通行无阻，使低音增强，称为低音控制。当高音控制(Treble)电位器旋至最上端时，阻值减至最小，高音则可通行无阻；而旋至最下端时，电容器对地旁路作用加强，高音成分即被衰减。当低音控制(BASS)电位器旋至最上端时，阻值最小，低音即可通行无阻；当电位器旋至最下端时，阻值增大，电容器的影响增加，低音通过困难，低音即被衰减。5.音调补偿电路音调控制电路的作用只能控制高音与低音通过的程度，其效果属于衰减式控制法，对放大电路的增益均起到衰减作用。音调补偿电路对于所需要的高音与低音，通过高低音网络与放大管的作用使之增强，使放大器高频端与低频端的特性得到相应的提升。6.音调均衡电路音调控制与音调补偿其输入的音源信号的频响特性是平坦的，但对种类繁多的拾音器来说，它们的输出频响特性不完全平坦。音调补偿电路式拾音器的频响特性是低音较弱，高音较强；而晶体式拾音器的频响特性则是高音不足，因此在多种拾音器的输入端， 为了达到对各种拾音器都能获7.差分放大电路（1）差分放大电路的组成 差分放大电路是由对称的两个基本放大电路，通过射极公共电阻耦合构成的，如图所示。对称的含义是两个三极管的特性一致，电路参数对应相等。 b1=b2=b VBE1=VBE2= VBE rbe1= rbe2= rbe ICBO1=ICBO2= ICBO Rc1=Rc2= Rc Rb1=Rb2= Rb差动放大电路(2)差分放大电路的输入和输出方式 差分放大电路一般有两个输入端，同相输入端，反相输入端。根据规定的正方向，在一个输入端加上一定极性的信号，如果所得到的输出信号极性与其相同，则该输入端称为同相输入端。 反之，如果所得到的输出信号的极性与其相反，则该输入端称为反相输入端。 信号的输入方式：若信号同时加到同相输入端和反相输入端，称为双端输入； 若信号仅从一个输入端加入，称为单端输入。差分放大电路可以有两个输出端，一个是集电极C1，另一个是集电极C2。从C1和C2输出称为双端输出，仅从集电极C1或C2对地输出称为单端输出。(3)差模信号和共模信号差模信号是指在两个输入端加上幅度相等，极性相反的信号；共模信号是指在两个输入端加上幅度相等，极性相同的信号。如图所示。差分放大电路仅对差模信号具有放大能力，对共模信号不予放大。温度对三极管电流的影响相当于加入了共模信号。差分放大器是模拟集成运算放大电路输入级所采用的电路形式。 共模信号和差模信号示意图(4)差分放大电路的静态计算差分放大电路的静态和动态计算方法与基本放大电路基本相同。为了使差分放大电路在静态时，其输入端基本上是零电位，将Re从接地改为接负电源VEE，如图6-10所示。由于接入负电源，所以偏置电阻Rb可以取消，改为VEE和Re提供基极偏置电流。基极电流为: 由IB的计算式可知，Re对一半差分电路而言，只有2 Re 才能获得相同的电压降。 双电源差分放大电路(5) 差分放大电路的差模工作状态 差分放大电路的差模工作状态分为四种：A. 双端输入、双端输出（双-双），B. 双端输入、单端输出（双-单），C. 单端输入、双端输出（单-双），D. 单端输入、单端输出（单-单）。 (A)差模电压放大倍数Avd双端输入差分放大电路如图6-11所示。负载电阻接在两集电极之间，vi接在两输入端之间，也可看成vi /2各接在两输入端与地之间。 图6-11 双端输入双端输出 双端输入、双端输出差模电压放大倍数 这种方式适用于对称输入和对称输出，输入、输出均不接地的情况。 双端输入、单端输出差模电压放大倍数 双端输入单端输出双端输入单端输出因只利用了一个集电极输出的变化量，所以它的差模电压放大倍数是双端输出的二分之一。这种方式适用于将差分信号转换为单端输出信号。 单端输入、双端输出差模电压放大倍数单端输入信号可以转换为双端输入，其转换过程见图。右侧的Rs+rbe归算到发射极回路的值为(Rs+rbe)/（1+b）Re，故Re对Ie分流极小，可忽略，于是有 单端输入转换为双端输入 vi1 =vi2= vi 这种方式用于将单端信号转换成双端差分信号,可用于输出负载不接地的情况。 单端输入、单端输出电压放大倍数: 通过从T1或T2的集电极输出，可以得到输出与输入之间或反相或同相的关系。从T1的基极输入信号，从C1输出，为反相；从C2输出为同相。 (B)差模输入电阻 不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍。 (C)输出电阻 输出电阻在单端输出时， 双端输出时， (6) 共模状态动态计算例如，温漂信号属共模信号，它对差分放大电路中Ic1和Ic2的影响相同。如果输入信号极性相同，幅度也相同，则是纯共模信号。如果极性相同，但幅度不等，则可以认为既包含共模信号，又包含差模信号，应分开加以计算，如图6-14所示。图6-14共模、差模信号混合的情况 图6-15 共模微变等效电路 (A) 共模放大倍数Avc 共模信号对放大电路来说也是变化量，不能视为直流量。计算共模放大倍数Avc的微变等效电路，如图06.08所示。其中Re用2Re 等效，这与差模微时不同。共模放大倍数Avc的大小，取决于差分电路的对称性，双端输出时可以认为等于零。单端输出时为 (B) 共模抑制比 共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。 或 双端输出时KCMR可认为等于无穷大，单端输出时共模抑制比(7)恒流源差分放大电路为了提高共模抑制比应加大Re 。但Re加大后，为保证工作点不变，必须提高负电源，这是不经济的。为此可用恒流源T3来代替Re 。恒流源动态电阻大，可提高共模抑制比。同时恒流源的管压降只有几伏，可不必提高负电源之值。这种电路称为恒流源差分放大电路，电路如图6-16所示。 恒流源电流数值为:Ie3=( VZ- VBE3)/ Re 恒流源差分放大电路8.OTL后级功率放大电路（1）OTL后级功率放大器基本电路特点 互补对称式OTL功率放大器基本电路如图所示。 （1）普通三极管复合后级驱动 （2）并联三极管式后级复合驱动 （3）反馈式双管复合后级驱动（2）本机OTL电路介绍本论文选取第一种后级驱动形式。OTL电路输入级由Q17、Q19 (Q18、Q15)组成差分放大器，发射极设置了VR3(VR4)后可对中点电压进行调整，以纠正晶体管参数差异引起的中点偏移。两管集电极之间的R53、C2 (R54、C11)是为消除超音频干扰信号而设置。Q14(Q16)与外围元件组成恒流源电路。R28(R31)是直流反馈电阻，把输出中点的直流变化反馈到差分电路的反相输入端，对中点电压进行伺服控制。本电路的交流反馈不象一般OCL电路由输出端取出，而是通过C15、R27 (C16、R30)从电压放大级Q9(Q8)集电极取得。这样既可以消除高频移相引起的自激，又不会影响电路的高频特性。电压放大级由Q7、Q9 (Q11、Q8)组成的第二级差分电路完成，Q10(Q12)是此差分放大器的镜像恒流源负载。两级放大恒流源和镜流源的引入，有效抑制了电压波动对电路的影响，使整个电路稳定性大大提高。Q1(Q2)是恒压偏置管，调整其下偏置电阻VR1(VR2)可改变功率管的be结电压，也就是改变功率管的静态电流，使电路可在甲类与甲乙类之间变化。此电路没有设置功率管发射极电阻取样放大的过流保护电路，而是增加了D1、Z1、D2、Z2 (D3、Z3、D4、Z4）组成的限压电路。当输入信号过大使3.9V稳压管导通时，峰值信号将被吸收，从而防止后级过激励而引起的过流现象。Q5、Q7 (Q6、Q4)是电流放大级，也叫推动级。在电压放大和电流放大两级电路中，三极管的b、c间都加有33P的瓷片电容，这是对电路进行相位补偿的中和电容。可有效抑制高频移相引起的高频自激。功率输出级采用东芝音响对管C3280、A1301。R58、C38 (R64、C39)组成茹贝尔补偿电路，补偿扬声器音圈纯电感负载对电路形成的不良影响和高频自激。9.电源电路 简单的整流滤波电路图四 整机调试OTL功放调试要领调试前必须先将OTL功放电路图与安装实体机仔细对照，反复检查两三遍。看是否有接错的地方或漏焊的元件，各个接点之间用镊子轻轻拉一下，是否存在虚焊或假焊现象。各电子管屏极与栅极之间的元件或走线不可贴紧或平行，如有贴近之处应予以拨开。全部检查无误后即可开始调试。1 空载调试先测量电源变压器各输出端的交流高压，再测量经整流滤波后的各级电压。初学装配功放者必须注意，在测量时可将万用表的一端用鳄鱼夹与机内接地线或机底座钳住(电子管功放的底板)。测量电压时，单手操作。当电源关断后，机内的大电容器内仍有高压电荷存储，误触电容电极时，放电电压很高，会造成电击，应先采用低阻值电阻使电容器对地洩放电能后，才能进行对元器件的检测。电源部分测量无误后，即可先将前级接通，先测量输入管与推动管各级的电压。然后再将万用表测量两只推动放大管的电压，电压为电源电压的一半，这样推动级输出的音频信号电压才会平衡。如电压相差较大，则必须寻找出故障原因如线路接错等均会造成电压不一致。前级测量完毕后，再将OTL后级功放接上，先测量OTL功放管上边管的电压，接着再测量OTL功放管中点电压也应在电源电压的一半左右。在功放级来调整好以前，中心点的对地电压不一定等于1/2Vcc。2 带假负载调试先选择一只阻值为8左右，功耗为1020w的线绕电阻作为假负载，接在OTL功放级的中心点输出端与地之间的8接线柱上。因为OTL功放在未调整好以前，上边功放管与下边功放管工作尚未达到完全平衡状态，此时中点负载两端的电压未能达到1/2Vcc ，故负载中有较大的直流电流通过。对于无输出电容的OTL功放来说，如果此时用扬声器作负载，扬声器音圈可能会因大电流通过而被烧毁。先预测功放管的工作状态是否平衡，可用万用电表直流电压5v档，测量各只功放管6N5P，每管电压降的正常值为01V左右如果功放管基射极的电压降相差较大时，则表明其中有的功放管发射能力参差不齐。为了保持功放线性能良好，使功放管工作于线性范围区域内，故功放管集电极对发射极的电压一般取5v左右。在测量功放管负压时，应在测量回路中先串人一只1uF、1200V的电容器，这样可以减少分压作用，测量准确度高。然后将万用表拨到交流电压10V档，测量功放输出级假负载两端的直流电压，是否已经接近0V。此项调整工作应仔细进行，因功率管特性不同，其负压的高低也有一定差别。上述测量工作每个声道的功放级应重复调试一至二次，中点电压调到接近1/2Vcc，将调定的电位器用热融胶或其他胶锁住，使之保持不变或采用相同阻值的固定电阻代替之。3 接实际负载调试经以上初步调试结束后，即可接上扬声器进行实际细调。为保险起见，也可先接一只老旧扬声器试听。在确认万无一失时，再接上好音箱试听。新调试好的功放机在开机后不要立即注入音频信号，应仔细倾听扬声器有无异常情况出现，并密切注视机内各部分元器件的温升情况，如发现有温升过高或有焦气味出现，