OCL功率放大器设计

1、设计题目：OCL功率放大器设计姓 名：学 号：班 级：14级专 业：电子信息工程设计时间：20162016年7月4 日目录概述3一、任务及要求： 4.1.设计任务 4.2.设计要求 4.二总体方案设计 4.1.设计思路 4.2. OCL 功放各级的作用和电路结构特征 4.三单元电路的选择及设计 5.1、设计方案 5.2、设计选择 5.(1) 设计一个放大器所需要的直流稳压电源 5.(2)差分放大电路电路图 6.(3)复合管放大电路电路图 7.(4) UBE 的倍增电路电路图 7.四.总体电路图 9.五元器件参数的选择： 1.0a. 确定工作电压 Vc10b. 功率输出级的设计： 11c. 推动

2、级(V4)的设计12d. 输入级的设计1.3六、总结与体会 1.5.概述(1) 放大电路实质上都是能量转换电路。从能量控制的观点来看，功率放大 电路和电压放大电路没有本质的区别。 但是，功率放大电路和电压放大电路所要 完成的任务是不同的。 对电压放大电路的主要的要求是使其输出端得到不失真的 电压信号， 讨论的主要指标是电压增益， 输入和输出阻抗等， 输出的功率并不一 定大。而功率放大电路则不同，它主要要求获得一定的不失真(或失真较小)的 输出功率，因此功率放大电路包含这一系列在电压放大电路中没有出现过的特殊 问题，这些问题是： 要求输出功率尽可能大 为了获得大的功率输出， 要求功放管的电压和电

3、流都有足够大的输出幅度， 因此 器件往往在接近极限运用状态下工作。效率更高(2) 由于输出功率大，因此直流电源消耗的功率也大，这就存在一个效率问 题。所谓效率就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功率的比值。 这个 比值越大，意味着效率越高。非线性失真小(3) 功率放大电路是在大信号下工作，所以不可避免地会产生非线性失真， 而且同一功放管输出功率越大， 非线性失真往往越严重， 这就使输出功率和非线 性失真成为一对主要矛盾。但是，在不同场合下，对非线性失真的要求不同。(4) 功率器件的散热问题 :在功率放大电路中， 为了输出较大的信号功率， 器 件承受的电压高。 为了充分利用允许的管耗而使管

4、子输出足够大的功率， 放大器 件的散热就成为一个重要问题了。(5) 此外，在功率放大电路中，为了输出较大的信号功率，器件承受的电压 要高，通过的电流要大， 功率管损坏的可能性也就比较大， 所以功率管的损坏与 保护问题也不容忽视。(6) OCL 功率放大器是一种一种直接耦合的功率放大器， 它具有频响宽， 保 真度高，动态特性好及易于集成化等特点。 OCL 是英文 Output Capacitor Less 的 缩写，意为无输出电容。采用两组电源供电，使用了正负电源，在电压不太高的 情况下， 也能获得比较大的输出功率， 省去了输出端的耦合电容。 使放大器低频 特性得到扩展。 OCL 功放电路也是定

5、压式输出电路。、任务及要求：1. 设计任务(1) 全部或部分分离原件(2) 额定输出功率po > =2W(3) 负载电阻Rl =8Q失真度r v 3%(5)设计放大器所用直流稳压电源2. 设计要求(1) 画出电路原理图(2) 元器件及参数选择(3) 电路的仿真及调试二总体方案设计1. 设计思路功率放大器的作用是给负载Rl提一定的输出功率，当Rl定时，希望输出功率尽可能大，输出信号的非线性失真尽可能小，且效率尽可能高。由于 OCL 电路采用直接耦合方式，为了保证工作稳定，必须采用有效措施 抑制零点漂移， 为了获得足够大的输出功率驱动负载工作， 故需要有足够高的电 压放大倍数。因此，性能良好

6、的 OCL 功率放大器应由输入级，推动级和输出级 部分组成。2. OCL 功放各级的作用和电路结构特征输入级：主要作用是抑制零点漂移，保证电路工作稳定，同时对前级(音调 控制级)送来的信号作用低失真，低噪声放大。为此，采用带恒流源的，由复合管组成的差动放大电路，且设置的静态偏置电流较小。推动级的用是获得足够高的电压放大倍数，以及为输出级提供足够大的驱动 电流，为此，可采用集电极有源负载的共射放大电路， 其静态偏置电流比输入级 要大。输出级的作用是给负载提供足够大的输出信号功率， 可采用有复合管构成的 甲乙类互补对称功放或准互补功放电路。三单元电路的选择及设计1、设计方案利用三极管的电流控制作用

7、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B倍，B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B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B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。2、设计选择(1) 设计一个放大器所需要的直流稳压电源匕Rom1 U 2OM2RJ又匕'U OM2P M RLVcc - (1.2 -1.5)U om则可以得出VCC =17V

8、24V,此时取VCC =20V.该直流稳压电源的图形如图所示：在电子线路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。 小功率稳压电源一般 有电源变压器、整流、滤波和稳压电路等四部分组成。电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整 流电路将交流电压变成脉动的直流电压。 由于此脉动的直流电压还含有较大的纹 波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随 电网电压波动(一般有土 10%左右的波动)、负载和温度的变化而变化，因而在 整流、滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负 载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。当负载和温度变化时

9、，维持输出直流电压稳定。(2) 差分放大电路电路图差分放大电路在性能放大那个面有许多优点，是模拟集成电路的又一重要 组成部分。上图时用两个特性相同的三端器件 V1、V2所组成的单端输入的差分 放大电路。图中R0为实际电流源的动态输出电阻，其阻值一般很大，容易满足 RO>>Re(发射结电阻)的条件，这样就可以认为 R0支路相当于开路，输入信号 电压近似地均分在两管的输入回路上，如图中体现了射极耦合的作用。(3) 复合管放大电路电路图双极性三极管(BJT)有两种类型：NPN型和PNP型。他们分别有三个极： 发射极e、集电极c和基极bo当BJT用作放大器件时，无论是NPN型还是PNP 型

10、，都应将他们的发射结加争先偏置电压，集电结加反向偏置电压。(4) Ube的倍增电路电路图0-vccUbe的倍增电路交越失真：电子学名词，是指放大电路中，输出信号并非输入信号的完全、 真实的放大，而是多多少少走了样，这种走样即是失真，引起失真有多种.我们在分析时，是把三极管的门限电压看作为零，但实际中，门限电压不 能为零，且电压和电流的关系不是线性的， 在输入电压较低时，输出电压存在着 死区，此段输出电压与输入电压不存在线性关系，产生失真。这种失真出现在通过零值处，因此它被称为交越失真。由于晶体管的门限电压不为零，比如硅三极管，NPN型在0.7V以上才导通，这样在00.7就存在死区，不能完全模拟

11、出输入信号波形，PNP型小于-0.7V 才导通，比如当输入的交流的正弦波时，在 -0.70.7之间两个管子都不能导通， 输出波形对输入波形来说这就存在失真，即为交越失真。我们克服交越失真的措施是：避开死区电压区，使每一晶体管处于微导通 状态，一旦加入输入信号，使其马上进入线性工作区可以给互补管一个静态偏置。 此时我们利用二极管和电阻的压降产生偏置电压从而克服交越失真.18四.总体电路图1.工作原理简单介绍:(1)用差分放大输入级抑制零漂，如前所述，为了使 Rl在静态时没有直流电流通过，即A点的静态直流电位为零，所以采用正，负对称的两个小电源(VCC，一VCC )。但是温度的变化又会引起零漂，

12、所以应采用差分放大器 作为输入级，用它来抑制A点电位因受温度等因素影响而产生的零漂。(2) 其他元器件的作用：V3管为激励级，它把V1管输出信号再进行一次放大后去推动功率输出级的功放管工作，故该级又称为推动级。C5是高频负反馈电容，防止V3高频自激。（3） R7, V8，V9为功放管提供静态偏置，防止交越失真，把 V4，V5基极直 流电信分开，并利用V8 , V9补偿功放管的温度特性，以稳定功放管的基极偏流。（4） R5，C3, R6组成电压串联负反馈电路。C3对低频信号短路，分压比 R6/（R5+R6）为反馈系数，R6越大，反馈量越大，反馈越强。分压比适当则 既 可减小信号非线性失真，又不致

13、造成放大器增益下降太多。（5）R16, C6称中和电路，防止由于感性负载而引起高频自激。（6）R4，C2是差动放大器的电源滤波电路。（7）C4是自举电容，用来提高功率输出级的增益。由图可知，当输入信号u1为正半周时，经V1，V2和V3次放大并反相， uc3也为正半周，则V4,V6复合管导通，信号放大后经R14, R l，地，* Vcc 返回V4 , V6形成回路，在负载Rl上有放大了的正半周电流h通过，其方向 如图中的实线所示。同理可知负半周上的i2通过，如图中虚线所示。这样轮 流推挽工作，在R上就获得功率放大后的完整信号。五元器件参数的选择:a.确定工作电压Vcc为了达到额定输出功率po&g

14、t; =8W的设计要求，同时使电路安全可靠地工作，电路的最大输出功率应比设计指标大些，一般取FOm ：、（1.5-2）PO。Pom (14,16)又FO1 U2om2RT二 U OM-2Fom Rl又0考虑到输出功率管V , V4的饱和压降和发射极电阻 的压降，电源电压常取Vcc =(1.2-1.5)Uom-同直流稳压电源一样取Vcc =20V。b. 功率输出级的设计：输出功率管的选择输出功率管V4，V6为同类型的NPN型大功率管，则有：1每个晶体管的最大集电极电流为Icmax ： VCC R R 也/ Ri4 rl8 + 0.52承受的最大反向电压 U CEmax 2Vcc = 2 20 =

15、 40V，3每个晶体管的最大集电极功耗为Pcmax ： 0.2Pom I CQ U CEQ ,P Icq =(20 -30)mZ选 Icq =20mU_Pcmax : 0.2PomIcq Uce 0.2 1.5 8 0.02 12 =2.8W二查阅手册选取 3DD5B Ubr(ceo)=30VIcm =2.5AYPcm =30W-选择：10"11 =50R10， R11:2.35Z，.(R11+R12)=R13= (5 -10)rn7 (5-10)rbe7 ( T)R14 1=(5 10) (10+51*0.5 )=175" -375".选择 R13=220

16、9;J.选择 R11= R12=110。U BR(CEO)4 二 U BR(CEO)5 二 2VCC 二 40VI C4(max)二 I C5(max)牛"5讐=52.8论PC4 (max)=巳 5 (max)=(1.1 -1.5)巳6 (max)：10 皿鬻=84mW查表得到V4 , V5厂3DK4A(NPN)3CG4A(PNP)I04=0550c. 推动级（V4）的设计为保证对后级有足够的驱动电流 则有：I CQ3-3 Ib4(max)=3c4(max)V52.8mA503.17m.-.选择 Icq3 =5mZ (2,10)m-。Lm5 亠 2ICQ3 = 2 5=10U BR(

17、CEO) 一 2VCC - 40VICm 3 亠 2VCCCQ3 = 25°mw查表可以得出为3CG20'-3 =50( PNP)又因为R7, V8 , V9为功放管提供静态偏置，而 V8, V9补偿功放 管的温度特性，这里R7与R8只是起限流保护电路的作用，其参数的选择一般不会 对电路造成较大的影响，则可以选取R7=R8=100直流稳压电源中器件参数的配置见图中表示d. 输入级的设计令 I CQ1 = I CQ2 = (0.5 2)mtI CQ1 I CQ2 - I CQ3 选 I CQ1 = I CQ2 - 1 m.-LI CQ3 = 2m - 选取 R1，R3, R4R

18、1Wbe30.7VI CQ1 1m.选取 R1=1K(R3 R4)=WBE2 -( CC )I CQ3-(-0.7V) -(-20V)2 mA=10.35K'1.可以取 R3 二 R5.175K' 1R10选取:由于此处的R10同R7与R8一样仅是限流，故取 R10 = 100选取二极管和T2 :U BR(CEO)1 二 U br(CEO)2 - 24WPC(max)1 =PC (max) 2 2Vcclice = 40V 1mz = 40mW查表可以得知：和丁2均可以选为 3DG4AR2与R5的选择：R2 二 R5 =(15K47K")20HZ20KHZ,并且假定该

19、信口 号言号电压不.选取 R2 二 R5 = 30K当该电路中所需的频率范围为超过100mV.选取R6：L-：'Po二V。V。RlVo =PO RLA“ =¥=诗為"罟.R6 53011选取R6 =500门C3与C6的选取:C3(3-10)12二fe R6=312 二 20 500= 470uF选取 C3 =50uF /63VO_(3 -10)12 二fe R2=1012 二 20 33 1000= 2.4uF /63VR16：R6=8 门C612二 20 8 1000选取 C6 =0.1uF/16V六、总结与体会通过这段时间的学习 ,然我有所进步 .不过通过不断的努力 ,我最终完成了任 务.刚开始我借来了一份高保真音频功率放大器的电路原理图，但离实际应用差 距较大，有些器件很难找到， 后来到网上搜索了一下相关内容， 顺便到学校图书 馆借相关书籍， 经过不断比较与讨论， 最终敲定了高保真音频功率放大器的电路 原理图，并