南京航空航天大学2013电子电路设计大赛试题 A程控音频OCL功率放大器

1、电赛试题分析A A题：程控音频题：程控音频OCLOCL功率放大器功率放大器罗迪罗迪20132013年年1111月月1 1日日一、任务一、任务设计并制作一个设计并制作一个功率可程控功率可程控的、有的、有输出功率显示输出功率显示的的OCLOCL音频功率放大器，其结构框图如下图所示。音频功率放大器，其结构框图如下图所示。1 1、基本要求、基本要求 用用分立元件分立元件（指后级（指后级OCLOCL功率放大部分）制作，供电功率放大部分）制作，供电电源为（测试时仅提供电源为（测试时仅提供15V15V电源），输入信号电压幅度电源），输入信号电压幅度为为(10mV-1000mV)V(10mV-1000mV)V

2、RMSRMS，测试电阻用，测试电阻用8 8欧纯阻负载欧纯阻负载，放大器，放大器应满足：应满足： （1 1）失真度）失真度10% 10% 时输出功率时输出功率P PO O6W6W；（2 2）频率响应为）频率响应为30Hz-10000Hz30Hz-10000Hz；（3 3）在输入端交流短路接地，输出端交流信号）在输入端交流短路接地，输出端交流信号20mVpp20mVpp；（4 4）在信号源的幅度和频率固定为某一值时，可以设置输）在信号源的幅度和频率固定为某一值时，可以设置输出功率，并实时测量、显示输出功率。出功率，并实时测量、显示输出功率。2 2、发挥部分、发挥部分（1 1）在信号源的幅度和频率固

3、定为某一值时，）在信号源的幅度和频率固定为某一值时，显示的输出功率显示的输出功率PsPs，与设定功率与设定功率PgPg的相对误的相对误差差|(Ps-Pg)/Pg|3%|(Ps-Pg)/Pg|3%；（2 2）频率响应为）频率响应为20Hz-22000Hz20Hz-22000Hz；（3 3）失真度）失真度3%3%时输出功率时输出功率P PO O7.5W7.5W；（4 4）其它）其它。初步分析 8 8欧姆电阻实际上是模拟扬声器作为负载，整个题欧姆电阻实际上是模拟扬声器作为负载，整个题目就是一个完整的前端设备对音频信号的处理过程。目就是一个完整的前端设备对音频信号的处理过程。 模拟电路知识为主，主要考

4、察模拟电路知识为主，主要考察比例运算电路比例运算电路，功率功率放大电路放大电路以及以及滤波器电路滤波器电路设计与实现，对设计与实现，对频率响应频率响应、失失真度真度、输出功率输出功率等参数做出了具体要求，且要求较高，等参数做出了具体要求，且要求较高，难度较大。难度较大。 单片机主要实现功率检测与闭环控制，实现功率程单片机主要实现功率检测与闭环控制，实现功率程控功能控功能。系统框图信号源信号源（10mV-10mV-1000mV1000mV）信号幅度放信号幅度放大（前级放大（前级放大）大）信号功率放信号功率放大（电流放大（电流放大为主）大为主）负载功率输负载功率输出出单片机单片机调节增益调节增益功

5、率检测功率检测要点与难点分析1.1.显示输出功率，且功率可程控。显示输出功率，且功率可程控。2.2.分立元件实现分立元件实现OCLOCL功放电路。功放电路。要点与难点分析难点难点1 1： 信号信号变化幅度为变化幅度为10mV-1000mV10mV-1000mV，且功率需大于，且功率需大于6W6W（发挥部分要求大于（发挥部分要求大于7.5W7.5W），怎样），怎样实现高精度增益调实现高精度增益调节和控制节和控制？三三种可选方案：种可选方案：1.1.通过通过继电器切换电阻网络继电器切换电阻网络来控制运放的增益。来控制运放的增益。2.2.通过通过数字电位计数字电位计来调节运放增益。来调节运放增益。3

6、.3.通过通过压控压控或或程控程控放大器来调节增益。放大器来调节增益。要点与难点分析方案一，方案二均是通过改变方案一，方案二均是通过改变运放反馈运放反馈电阻电阻RfRf的阻值的阻值来调节增益。来调节增益。方案三采用特殊型号运放来调节增益。方案三采用特殊型号运放来调节增益。方案一：继电器切换电阻网络优点：电路简单，控制方便，成本低廉。优点：电路简单，控制方便，成本低廉。不足：精度难以达到题目的要求，难以达到发不足：精度难以达到题目的要求，难以达到发挥部分中的要求（挥部分中的要求（1 1）（）（实际功率与设定功率误实际功率与设定功率误差不超过差不超过3%3%）方案二：数字电位计调节优点：代替传统的

7、机械式电位器，可以用单片优点：代替传统的机械式电位器，可以用单片 机实现程控。机实现程控。不足：分辨率有限，精度不够，调节范围有限。不足：分辨率有限，精度不够，调节范围有限。方案三：压控或程控运放调节压控型：压控型：TITI的的VCAVCA系列系列程控型：程控型：TITI的的PGAPGA系列系列优点：步进小，精度高，由优点：步进小，精度高，由D/AD/A或单片机或单片机直接控制。直接控制。不足：价格昂贵，噪声相对较大，在实不足：价格昂贵，噪声相对较大，在实际音频处理中运用不多。际音频处理中运用不多。VCA810VCA810结构简图结构简图要点与难点分析难点难点2 2： 分立元件来构建分立元件来

8、构建OCLOCL功率放大电路，对模电功率放大电路，对模电知识的理解及实际动手能力是一个很大的挑战知识的理解及实际动手能力是一个很大的挑战。功率放大电路要考虑的问题：功率放大电路要考虑的问题：1 1、波形不失真。、波形不失真。2 2、放大电路本身不产生自激现象。、放大电路本身不产生自激现象。3 3、达到所要求的输出功率。、达到所要求的输出功率。OCL电路 省去输出端大电容的功率放大电路通常省去输出端大电容的功率放大电路通常称为称为OCLOCL电路。其中，电路。其中，OCLOCL是是Output CapacitoOutput CapacitorLess rLess 的缩写。的缩写。 OCL OCL

9、是是OTLOTL电路的升级，优点是省去了输电路的升级，优点是省去了输出电容，使系统的低频响应更加平滑。缺点出电容，使系统的低频响应更加平滑。缺点是必须用双电源供电，增加了电源的复杂性。是必须用双电源供电，增加了电源的复杂性。功放分析 模电里我们学过，模电里我们学过，OTL OTL 功放电路省去了输出变功放电路省去了输出变压器，压器，OCL OCL 型功放型功放电路电路又进一步省去了输出耦合电容。又进一步省去了输出耦合电容。无论是在无论是在频率响应还是频率响应还是在非线性失真上，都比在非线性失真上，都比OTL OTL 功功放电路有更大的放电路有更大的改善改善，这是由于去掉了耦合电容，改，这是由于

10、去掉了耦合电容，改善了低频响应。善了低频响应。因为因为耦合电容对音频信号的容抗与频耦合电容对音频信号的容抗与频率成反比关系，率成反比关系，频率频率越低容抗越大，这就使低频响应越低容抗越大，这就使低频响应受到限制。受到限制。OCL OCL 功放功放电路必须采用电路必须采用正负对称电源正负对称电源供电，供电，全电路用全电路用直接直接耦合耦合的方式，因此电路的的方式，因此电路的零点漂移零点漂移较为较为严重，为降低严重，为降低零点漂移零点漂移，OCL OCL 电路的输入级往往采用电路的输入级往往采用了了差动放大电路差动放大电路。OCL电路OCL电路 要获得较大的功率，考虑选用一些要获得较大的功率，考虑

11、选用一些大功率的大功率的NPNNPN、PNPPNP对管对管构成互补推挽级。由于功率较大，三极管构成互补推挽级。由于功率较大，三极管必必须加散热器须加散热器。 下表是一些常用的大功率对管型号与参数。下表是一些常用的大功率对管型号与参数。关于题目要求的一点小提醒不要漏掉这样一个基本要求！不要漏掉这样一个基本要求！（3 3）在输入端交流短路接地，输出端交流信号）在输入端交流短路接地，输出端交流信号20mVpp20mVpp； 实现此要求需要在电路上进行调零操作，实现此要求需要在电路上进行调零操作，保证静态时保证静态时“零输入，零输出零输入，零输出”，尤其注意分，尤其注意分立元件功放部分对发射极静态电位

12、的调零。立元件功放部分对发射极静态电位的调零。要点与难点分析难点难点3 3： 怎样测量输出功率？怎样测量输出功率？ 在负载一定的情况下，通过测量负载上的交在负载一定的情况下，通过测量负载上的交流电压有效值来计算出实际输出功率。流电压有效值来计算出实际输出功率。方案：方案： 可以使用可以使用分立元件搭建绝对值转换电路分立元件搭建绝对值转换电路，也可以，也可以通过通过AD637AD637或或AD736AD736等等均方根直流均方根直流转换器转换器来得到交流电来得到交流电压的有效值，进而通过压的有效值，进而通过A/DA/D转换器得到信号的有效值，转换器得到信号的有效值，送入单片机进行处理和显示。送入

13、单片机进行处理和显示。几点说明几点说明1.1.我们调试和搭建自己的作品时可以使用杜邦线，我们调试和搭建自己的作品时可以使用杜邦线，方便快捷。但国家级的比赛或者以后做产品时不方便快捷。但国家级的比赛或者以后做产品时不赞成选用杜邦线，建议使用赞成选用杜邦线，建议使用XH2.54XH2.54等插头连接线，等插头连接线，稳定性好，安全可靠。稳定性好，安全可靠。2.2.搭建和调试硬件时搭建和调试硬件时一级一级一级一级分开来调，各级独立分开来调，各级独立工作正常后再联调，这样调试起来思路会比较清工作正常后再联调，这样调试起来思路会比较清晰。晰。3.3.上电前检查电源和地是否短路！运放正负电源上电前检查电源和地是否短路！运放正负电源管脚是否接反！如正常，方可上电调试。管脚是否接反！如正常，方可上电调试。总结 信号题始终是电子类竞赛中最具分量的信号题始终是电子类竞赛中最具分量的一类题型之一，也是最