OCL功率放大器课程设计讲解

年4月19日OCL功率放大器课程设计讲解文档仅供参考课程实习报告实习名称：电子技术课程设计学生姓名：师凯学号：专业班级：指导教师：杨峰完成时间：评阅意见：评阅教师日期评阅意见：评阅教师日期OCL功率放大器目录第一章OCL功率放大器设计方案论证、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、1.1OCL功率放大器的应用意义、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、1.2OCL功率放大器的设计要求及参数、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、1.3设计方案论证、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、1.4总体设计方案图及分析、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、第二章OCL功率放大器各单元电路设计、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、2.1直流稳压电源的设计、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、2.2前置放大级设计、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、2.3功率放大器设计、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、第三章OCL功率放大器整体电路设计、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、3.1整体电路图及工作原理、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、3.2电路参数计算、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、3.3整体电路性能分析、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、3.4元器件清单列表、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、第四章设计总结、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、致谢、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、参考文献、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、第一章OCL功率放大器设计方案论证1.1OCL功率放大器的应用意义OCL（OutputCapacitorless无输出电容器）电路是采用正负极两组对称电源供电，没有输出电容器的直接耦合电路，负载接在两只输出管中点和电源中点。OCL功率放大器是在OTL功率放大器的基础上发展起来的一种全频带直接耦合低功率放大器，它的高保真扩音系统中得到了广泛的应用。1.2功率放大器设计的要设计参数：1、采用全部或部分分立元件设计一种OCL音频功率放大器。2、额定输出功率P0>=10W3、负载阻抗RL=8Ω4、失真度r<=3%5、设计放大器所需的直流稳压电源。设计要求：1、分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。2、确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。3、设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。4、组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，一般是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。1.3设计方案论证根据本课题要求，我们所设计的低功率放大器应由以下几部分组成：直流稳压电源、前置放大及功率放大。以下逐一加以设计及论证。电源部分本设计的电源经过变压器变为25V交流电，经整流滤波得到+31V的直流电；同时直流电再经三端集成稳压电路输出+15V,供应前置放大电路和功率放大器使用。信号放大部分前置放大电路采用低噪声双运放，分别以相同放大的方式，作为左右通道的信号放大。功率放大电路由三部分组成：输入级、推动级和输出级。输入级由有两个三极管组成差分放大电路，推动级由一个三极管组成，输出级由两个三极管对称构成。两输出管分别由正、负两组电源供电，扬声器直接接在两输出管的输出端与地之间，同时应使本功放工作在甲乙类状态。1.4总体设计方案框图及分析总体设计方案框图（图1-1所示）图1-1分析本设计釆用市电供电，将市电220V经过变压器变成的+24V直流电,供前置放大器与功率放大器使用。输入信号经过前置放大电路进行初步放大,再经过功率放大器进行进一步的放大。最后经过输出端输出，即得到所需。第二章OCL功率放大器各单元电路设计2.1直流稳压电源设计220V市电经变压器输出两组独立的25V交流电，大电容滤波得到+35V直流电，再加一个0.1uf小电容滤除电源中的高频分量。考虑到制作过程中电源空载时的电容放电可在输出电容并上1K大功率电阻。另外这组直流电还要传给7824、7924来获得+24V。万一输入端短路，大电容放电会使稳压块由于反电流冲击而损坏，加两个二极管可使反相电流流向输入端起到保护作用。（如图2-1所示） 图2-12.2前置放大级设计图2-2前端放大功能是完成小信号的电压放大任务、提高信噪比，其失真度和噪声对系统的影响最大，是应该优先考虑的指标。我采用双运放NE5532(如图2-2所示)。实际制作中将它接成同相放大形式，运放反相端串联47uf的电解电容，让交流信号全反馈，信号放大倍数1+Rf/R0,其中Rf化为反馈电阻，在其上并联一个小电容抑制自激震荡，R0为负反馈对地电阻。为了实现更好的对信号的放大，我将放大倍数定位30dB左右，取Rf=76K、R0=2.5K、Avf=1+76/2.5=31.4dB,由于NE5532需要+3V~+22V的电源，因此在三端稳压块7815、7915供给的+24V上加入两个电阻分压，电源用10uf、0.1uf电容去耦合。2.3功率放大器设计图2-3此功率放大器由三部分组成：输入级、驱动级和输出级。其中VT1和VT2构成差分式输入级电路,VT3管构成推动级,VT4和VT5是推挽互补对称输出级。电路中R4和C2是VT1和VT2的电源滤波电路；R5、R6和C3是负反馈网络；C4是高频负反馈电容；VD1是VT4和VT5的静态偏置二极管；C5是高频自励消除电容；R7用于调整复合管的微导通状态；R8、R9和C6构成自举电路；R10和R12构成平衡电阻；R11和R13可减少复合管的穿透电流,提高电路的稳定性；VT4、VT6以及VT5、VT7构成复合管；R14与C9为消振网络，可改进扬声器的高频网络特性；保险丝用于保护功放管和扬声器；C7与C8能消除直流电源意外产生的交流量；+VCC为直流稳压电源产生的+24V直流带电。（如图2-3所示）第三章OCL功率放大器整体电路设计3.1整体电路图及工作原理图2-1图2-2图2-3220V市电经变压器、桥式整流、滤波以及运放7824、7924可获得+24V的直流电。用此电源来给前置放大电路及功率放大器提供能量。普通信号经由输入端输入到前置放大电路，电容滤除信号中的直流量，流入双运放NE5532放大。放大信号可经电阻、电容经行负反馈，经过测试后从输出端输出，形成初步放大信号。初步放大信号流入由VT1、VT2组成的差分放大电路，由于差分放大电路的阻抗非常大，因此电压在此放大，另外它还具有使输出端的直流电压稳定在零电位上的作用。信号经过VT1、VT2后，在经过由R5、R6好人C3组成的负反馈网络，其中由于C3的隔直作用，因此R5只有交流负反馈作用，R6具有较强的直流反馈作用，以使VT1至VT7各管工作稳定，使输出端静态电压稳定在0V。另外，R5和R6一起还有交流负反馈的作用。C4是高频负反馈电容（电容超前补偿电路），以防止电路可能出现的高频自激。VD1是VT4和VT5的静态偏置二极管，它可是电路获得更好的温度补偿。同时为了解决电路的工作点偏置和稳定问题，加入R8、R9和C6组成的自举升压电路。推动级VT3也起到信号放大作用。当信号正半周输入时，VT4、VT6导通、VT5、VT7截止，VT4、VT6由正电源供电。扬声器放出信号正半周的放大声音：当信号负半周输入时，VT5、VT7导通、VT4、VT6截止，VT5、VT7由负电源供电。扬声器放出信号负半周的放大声音。由于四只功放管上下的电路完全对称，因此输入信号的正、负半周得到均匀的放大。功放的输出端与扬声器直接耦合，实现了全频带放大。在扬声器的两端并联R14与C9串联的消振网络，能改进扬声器的高频特性。因扬声器呈感性，易引起高频自激，而且产生瞬时过压，有可能损坏晶体管VT6、VT7，此容性网络并入可使等效负载呈阳性。考虑到如果电路出现故障，导致输出端静态不为0V。由于SP1的直流电阻很小，这样会有很大的直流电流流过SP1和输出管，会使它们烧坏。再加入保险丝之后，如出现这种情况，保险丝熔断，保护了SP1和输出管。3.2电路参数计算1、确定电源电压参数为了达到设计要求，同时使电路安全可靠地工作，电路的最大输出功率Pom应比设计标准大一些一般取Pom由于，因此，最大输出电压为。考虑到输出功率管VT6和VT7的饱和降压，因此电源电压常取VCC=（1.2~1.5）Vom。设计要求Po>=10W。因此由以上公式可得Pom≈15～20WVom≈15.5～17.9VVCC≈18.6～26.9V这里我取了LM7824、LM7924这两个运算放大器，它们的输出电压为+24V其它指标也均达到要求。因此它们可作为前置放大电路与功率放大器的直流稳压电源。2、确定功率输出管的参数[1]输出管的参数选择。输出功率管VT6、VT7为同类型的NPN型大功率管，其承受的最大反向电压Ucemax=2VCC，，每个管子的最大集电极电流为Icmax=VCC/RI，每管的最大集电极功耗为Pcmax=0.2Pom。在选择两管时除了要注意值劲量对称外，其极限参数应满足下列关系：U(BR)CEO>UCEmax≈2VCCICM>IcmaxPCM>PCmax因此，根据以上分析可得U(BR)CEO>48VICM>3APCM>3～4W这里VT4我选择了3DG170H的管子，VT5我选择了3CK9D的管子，它们的参数基本符合以上分析的数据。3、其它参数确定：部分重要电阻的参数选择：电阻的选择很重要，太小会影响管子的稳定性，太大又会影响输出功率，R11=R13=（5～10）Rit5。（Rit5为VT5管的等效输入电阻，其大小为）。由于R10、R12为平衡电阻，故R10=R12=R11Ω(R13)//Rit5。因此，我将电阻的参数为R10=R12=15Ω、R11=R13=150Ω。R14与C9串联的消振网络的参数选择:R14与C9的取值视扬声器的频率响应而定，以效果最佳为好。我取R14=30Ω、C9=0.01uf。电容及其它部件的参数选择:由于时间及材料不足，此部分仅凭自己的经验进行选择。R1=27KΩ、R2=1.5KΩ、R3=15KΩ、R4=3KΩ、R5=1KΩ、R6=27KΩ、R7=1KΩ、R8=12KΩ、R9=510Ω、C1=20uf、C2=20μF、C3=30μF、C4=20pF、C5=51pF、C6=200pF、C7=1μF、C8=1μF。静态偏置二极管VD1选择2CP10。推动级三极管VT3选择3CG120B。3.3整体电路性能分析此功放不但能放大普通信号，还能放大一些极其微弱的信号。经过计算此功放的输出功率为12.5～20.8W，失真度约为2.13﹪，基本符合设计要求3.4元件清单列表稳压电源部分表1稳压电源部分原件名称元器件参数元器件名称元器件参数电桥D1（D1～D4）IN54024电容C10.1µF电桥D2（D5～D8）IN50424电容C20.1µF电阻R11KΩ电容C30.33µF电阻R21KΩ电容C40.33µF二极管D92CP10电解电容C52200µF/35V二极管D102CP10电解电容C62200µF/35V运放U1LM7824电解电容C72200µF/35V运放U2LM7924电解电容C82200µF/35V电解电容C910µf电解电容C1010µF前置放大级部分表2前置放大级部分元器件名称元器件参数元器件名称元器件参数电阻R02.5KΩ电容C110µF电阻R1100Ω电容C20.1µF电阻R2150Ω电容C30.1µF电阻R376KΩ电解电容C41µF滑动变阻器RW1KΩ电解电容C547µF运放U1NE5532电解电容C610µF电阻R444Ω电解电容C710µF电阻R520Ω功率放大器部分表3功率放大器部分元器件名称元器件参数元器件名称元器件参数电阻R127KΩ电容C110µF电阻R21.5KΩ电解电容C2100µF电阻R315KΩ电解电容C330µF电阻R43KΩ电容C420µF电阻R51KΩ电容C551µF电阻R627KΩ电解电容C6200µF滑动变阻器R71KΩ电解电容C71µF电阻R812KΩ电解电容C81µF电阻R9510Ω电容C90.01µF电阻15Ω三极管3DG6电阻150Ω三极管3DG6电阻150Ω三极管3DG6电阻15Ω三极管3CG120B电阻150Ω三极管3DG170H电阻30Ω三极管3CK9D二极管VD12CP10三极管3DD63C保险丝限流1Ma三极管3DD63C扬声器8Ω第四章设计总结在完成这个设计之后，我也有一定的思考，重新将自己的设计细细看了几遍，同时也把做同样设计的几个同学的设计借来观摩了一番。在进行对比和分析之后，又有很多所得。一开始进行设计的时候，我基本上都是参照书本或者网上的例子进行，甚至就是按照它的步骤再做一遍。可是等到自己设计的时候，我觉得就应该抛开例子，完全按照自己的思路独立进行，这样可能会在设计中碰到更多的问题，可是这样也能让我学到更多，而且在解决遇到的问题时会更加引发自己的思考，说不上创新，但可能会有新意产生，也就是自己的东西了。这一点我想在任何一门课程的学习，在今后任何一行工作都是很重要的。如果没有探索性，我们只会走着前人走过的路，踩着前人踏过的脚印。这个设计过程中，探索性主要能够体现在下面几个方面。一个是绘图所用的软件，很多人推荐我们使用EWB等，因为这几个软件有它们很大的优势，在学习使用过程中我也深有体会，特别是EWB，功能很强大。还有设计时所采用的公式，每个设计书上基本都有较为成熟的公式让我们参考。但它们不一定就是最好的，我们也能够到图书馆到网上去查阅更多的资料，计算出数据后进行仿真，发现近似性很好，能满足设计指标。没有探索就没有创新，没有创新很可能就会被淘汰，在今后的学习和设计中，我也会更加注重这方面的锻炼和培养，希望会有所进步。我的设计缺少系统