模电低频放大器课设教材

1、低频功率放大器 摘要 本文主要叙述的是一个功率放大电路的设计整个电路主要由前置放大器、功率放大器 2 部分构成。由前置放大器把小信号放大可以让 OCL 正常稳定的工作，用 OCL 电路实现 功率的放大。为了减少交越失真，应当设置合适的静态工作点。使两只放大管均工作在临 界的导通或微导通状态提升工作效率，稳定。设计之后用 mulsitim 进行仿真，仿真结果达 到任务书要求。 实验表明设计的电路结构简洁、 实用，充分利用到了集成功放的优良性能。 关键词:OCL电路;前置放大电路 ;功率放大电路 ;效率 低频功率放大器 目录 1、绪论 1. . 2、方案的确定 1. . 2.1 前置放大器方案设计

2、 1. . 2.2 功率放大器的设计 2. . 3、工作原理、硬件电路的设计或参数的计算 4. 3.1 前置放大器 5. . 3.1.1 器件介绍 5. . 3.1.2 参数设计 6. . 3.2 OCL 电路 6. . 3.2.1 参数的设计 7. . 3.2.2 功率的指标分析 7. . 4、总体电路设计和仿真分析 8. . 4.1 总体电路设计 8. . 4.2 仿真分析 8. . 4.2.1 前置放大器的仿真 8. . 4.2.2 OCL 电路 11 4.2.3 频带宽度的仿真检验 1.4 5、心得体会 1.5. 参考文献 1.5. 附录 1.6. 元器件清单 1.6. 总电路图 1.

3、7. II 低频功率放大器 1、绪论 功率放大电路的使用非常广泛。在日常生活中我们也离不开功率放大电路的应用。例如 我们通过音响来放大音频信号， 让更多的人可以听到 .广播通过低频功率放大信号可以让信 号传送的更远。 功率放大信号与我们的日常息息相关。 本次课设的主要要求是设计一个功率放大电路，符合指标为输入正弦信号电压幅值 150mV，等效负载电阻 8 下，放大通道应满足： 1. 额定输出功率 Pom 3W； 2. 带宽 BW 10kHz； 3. 效率 70 2、方案的确定 如图 2.1 所示为方案的框图。 输入信号 前置放大器 功放电路 输出信号 2.1 前置放大器方案设计 方案一： 分立

4、元件共射放大电路。如图 2.2 所示 图 2.2 共射放大电路 求出 IC，IB,UCEQ 选择合适的静态工作点，防止顶部失真与底部失真。然后提供正弦信 低频功率放大器 号保证共射电路的稳定放大。共射放大电路既可以放大电压又可以放大电流并且有很大的 增益，适用与放大低频信号。 方案二 ：集成运算放大电路的设计。如图 2.3 所示。 图 2.3 集成运算放大电路的设计 引入了深度负反馈的概念。对差模信号放大的倍数很大，线性放大区非常窄。但是一旦引 入深度负反馈则计算方便并且稳定。 方案比较： 方案一：优点：电压，电流放大增益大，一旦有合适的静态工作点，那么共射放大电 路就能以直流为基准，放大 U

5、i 达到放大的作用。 缺点：受温度变化大，导致共射放大电路不稳定。还要调节合适的静态工作 点才能很好的进行放大作用，计算稍稍繁琐。参数的计算也不方便计算，计算量大。 方案二：优点：受温度的影响小电路工作稳定， 计算量小， 有很好的电压增益的作用。 缺点：集成电路放大电路分为线性工作区和非线性工作区。 线性工作区引 入了深度负反馈的概念导致放大区窄，如果参数调节不合适的话导致频带宽度不能满足本 课设的基本要求。 2.2 功率放大器的设计 方案一 ：集成 OTL 放大电路 低频功率放大器 OTL 电路是一种没有输出变压的功率放大电路。 采用负载连接与输出电容相连接的互 补对称放大电路。 OTL 电

6、路与 OCL 电路相比，多了一个大容量电容，使正弦信号的负信 号相当与电压源。少了一个方向的偏置电压。使 D 点电压为 Vcc/2。只要输出电容的容量 足够大，电路的频率特性也能保证。如图 2.4 为 OTL 放大电路。 图 2.4 OTL 放大电路 方案二： OCL 放大电路 省去了电容，是系统的低频响应更加平滑，低频特性更好。采用无输出耦合电容的功 率放大电路。采用正负全对称双电源供电，以便获得直流零点平。功率放大电路最重要的 技术指标是电路的输出功率 Pom 以及效率 。需首先求解负载上能够得到的最大输出电压 幅值。当输出电压足够大，且又不产生失真时，有以下的公式。如图 2.5 OCL

7、放大路 图 2.5 OCL 放大电路 低频功率放大器 方案比较： 方案一：优点：。采用负载连接与输出电容相连接的互补对称放大电路，正弦信号的 负信号可相当与电压源少了一个方向的偏置电压，而且只要输出电容的容量足够大，电路 的频率特性也能保证。少了一个电源偏置。 缺点：因为采用负载连接与输出电容相连接的互补对称放大电路，所以低频 特性相对 OCL 不平滑。并且电容元件性质较难掌握。 方案二：优点： OCL 电路效率高，减少失真，电路稳定简单实用。是常用的放大功率 电路，省去了输出电容，是系统的低频响应更加平滑，低频特性更好。采用无输出耦合电 容的功率放大电路。采用正负全对称双电源供电，以便获得直

8、流零点平。简单，实用。 缺点：必须用双电源供电，增加了电源的复杂性。 经过前置放大器两个方案的对比与功率放大电路的方案对比，我选择前置放大器使用 集成运算放大器，功率放大电路我选择 OCL 功率放大电路。 3、工作原理、硬件电路的设计或参数的计算 整体电路如图 3.1 所示 图 3.1 电路的总设计图 因为已知的输入信号幅值很小，所以把 150mV 的小信号通过同向比例放大器放大 ,能 让甲乙类互补功率放大电路中的晶体管在放大区正常工作，加上VEE=12V 的正向偏置与 低频功率放大器 VEE=-12V 的反向偏置。使整个 OCL 放大电路的正常运行，通过的负载电阻，输出最大不 失真电压 Uo

9、m。 3.1前置放大器 3.1.1 器件介绍 放大器选择了 A741运算放大器。A741放大器为运算放大器中最常被使用的一种， 拥有反相向与非反相向两端输入端，由输入端输入欲被放大的电流或电压信号，经放大由 输出端输出。放大器做动的最大特点为需要一对同样大小的正负电源。 如图 3为A741运 算放大器的管脚图。 管脚 8：空脚。 管脚 7：正向偏置。 管脚 6：输出端。 管脚 5：调零电位。 图 3 放大器的管脚图 管脚 1：调零电位。 管脚 2：反相输入端 管脚 3：同相输入端 管脚 4：反向偏置。 低频功率放大器 3.1.2 参数设计 因为同向比例放大器所以 U0与 Ui有这样的关系式。

10、R5 U 0 (1 5) Ui R1 经计算 U 0 61Ui 放大倍数为 61 倍。 3.2 OCL 电路 第一部分可以选择晶体管放大电路和运算放大电路两种方式。晶体管放大，可以得到 很大的放大倍数，但是器电路相对要复杂，造价要高，而且静态工作点也需要有严格的控 制才能使晶体管有放大作用；集成运放电路不用担心这一点，运算放大器有型号的选择， 也可以达到晶体管放大的效果，所以我选择了集成运放电路，连接成同相比例放大电路， 之后将一个小信号加进一个小信号放大电路， 进行电压放大在这里根据题设要求将 150mV 的小信号源通过同向比例放大电路进行放大，让功率放大电路中的晶体管在放大区正常工 作。

11、功率放大电路的有两种方式供选择， OTL 和 OCL 电路，如果选择 OTL 功率放大电路 在电路连接上需要相对复杂的链接，在电路上要加电容，计算起来比较繁琐，而且 OTL 电路多数为乙类推挽电路，所能达到的效率不足 70%，而 OCL 功率放大电路，便不用有 此担心，通常情况下都会连接成甲乙类推挽电路，效率均会达到70%以上，并且它的连接 要比 OTL 电路简单许多，所以我选择 OCL 功率放大电路连接。接功率放大电路在电路中 加上两个偏置 VCC=12V 的正向偏置 与 VEE=-12V 的反向偏置，使整个 OCL 功率放大电路 的正常运行，通过 8的负载电阻，输出最大不失真电压 Uom，

12、达到要求所需要的功率。 低频功率放大器 3.2.1 参数的设计 U 2om Pom 2RL Uom2RLPom Uom 2 8 3 7V Uom Vcc4 Vcc Uom Vcc 7 4 0.7 7.85V 所以， Vcc选取 12V 3.2.2 功率的指标分析 Uom 8 8 0.05 12 11.925V Pom 7.2512 28 3.29W 因为 3.29W 3W 所以符合技术指标 Uom Vcc 4 11.925 12 4 73.500 大于 70%的技术指标所以符合指标。 低频功率放大器 4、总体电路设计和仿真分析 4.1 总体电路设计 如图 4.1 所示 图 4 .1 电路的总体

13、设计 4.2 仿真分析 4.2.1前置放大器的仿真 如图 4.2 所示为前置放大电路的电路图 图 4.2 前置放大器的仿真图 低频功率放大器 把 150mV 的小信号源经过放大器放大了 61 陪，放大到了 9.15V。对比信号源的示数 如图 4.3 所示。 如图 4.3 所示为电路的输出电压和信号源的仿真图 观察放大波形是否失真，比较输入电压与放大电压。如图 4.4 所示。 通道 A 为输入电压的波形，通道 B 为放大电压的波形 图 4.4 前置级放大电路的电压波形 低频功率放大器 前置放大电路，将小信号放大 61 倍，频率不会发生改变，幅值发生了改变。从失真 层面看，图像并未失真，满足题设要

14、求。 图 4.5 所示用失真分析仪器检测失真。 图 4.5 检测失真 如图 4.5 所示为 R6 分压之后电路的输出电压为 8.64V 图 4.5 电阻分压后电路的输出电压 10 低频功率放大器 4.2.2 OCL 电路 如图 4.6 所示为 OCL 功率放大电路 用万用表测出 Uom 两端的电压为 7.251V。 如图 4.7 所示为 OCL 放大电路的输出电压与输入电压的对比 图 4.7 OCL 功率放大电路的输出电压与输入电压的对比 观察输出波形是否失真，比较输入电压与输出电压。如图 4.8 所示。 通道 A 为输入电压的波形，通道 B 为输出电压的波形。 11 12 低频功率放大器 图

15、 4.8 OCL 功率放大电路电压输出波形 图 4.9 所示用失真分析仪器检测失真。 图 4.9 检测失真程度 我们把输出波形单独列出来，发现波形有一定的交越失真。如图 4.10 所示。 低频功率放大器 图 4.10 输出电压的波形 通过波形图，我们发现波形有点交越失真，所以在输出电阻与放大器之间连接一个滑 动变阻器，通过调节滑动变阻器来消除交越失真。如图 4.11 所示。 13 图 4.11 改进后的整体电路图 如图 4.12 所示改进后的输出电压波形。 低频功率放大器 图 4.12 输出电压波形图 通过新的波形图可以看出，基本可以消除了交越失真。 R12 1k 4.2.3 频带宽度的仿真检

16、验 U 7.251 0.707 5.126V 所以在频带宽度 0.707的点的电压应为 5.126V。在 10Hz 到 20kHz 的范围内，输出电 压幅度不发变化。 如图 4.13 当电压源频率为 138kHz 时 图 4.13 电压源 14 低频功率放大器 如图 4.14所示当电压源频率为 138kHz 时的输出电压 图 4.14 万用表示数 138kHz 左右为 0.707的点。所以带宽符合 20Hz 到 10kHz。 所以带宽符合，功率符合，效率符合。本次课设圆满结束。全部符合技术指标。 5、心得体会 深刻懂得了低频功率放大电路原理以及设计思想与方法我们学会了很多东西，培养了 动手能力

17、也为我们以后的工作打下了良好的基础。通过这次课程设计使我懂得了理论与实 际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合 起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思 考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，在设计的过程中发现了自己 的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固有了深刻的理解。 这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在 老 师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在老师的身上我们学也到很多实用的知识，在次 我们表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再

18、次 表示忠心的感谢！感谢老师的用心指导。 参考文献 1 荆西京主编 . 模拟电子电路实验技术 . 西安：第四军医院大学出版社， 2004 年 1月 2 童诗白 华成英主编 . 模拟电子技术基础（第四版） .高等教育出版社， 2006 年 5月 15 低频功率放大器 3 陆坤主编 . 电子设计技术 . 北京：电子科技大学出版社， 1997 年 4 康华光主编 . 电子技术基础（模拟部分） .第五版。 北京：高等教育出版社， 2006 年 5 陈大钦主编 . 电子技术基础实验 .北京：高等教育出版社， 2000 年 6 杨素行主编 . 模拟电子技术基础简明教程 .第三版 . 北京：高等教育出版社， 2006 年 7 蔡惟铮主编 . 基础电子技术 .北京：高等教育出版社， 2004 年 8 王小海主编 .集成电子技术基础教程 （下册）.第二版.北京：高等教育出版社， 2008 年 9