OCL功率放大器的設(shè)計.doc

煙 臺 南 山 學(xué) 院 模擬電子技術(shù)課程設(shè)計 題目 OCL 功率放大器的設(shè)計 姓 名 王慧強 所在學(xué)院 工學(xué)院電氣與電子工程系 所學(xué)專業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級 電氣工程 1403 學(xué) 號 201402013026 指導(dǎo)教師 王選誠 完成時間 二零一五年十二月 摘要 OCL 功率放大器不僅能夠放大普通信號 還能夠放大一些極其微弱的信號 音頻功率放大器是音響系統(tǒng)中不可或缺的部分 其主要任務(wù)是將音頻信號放大 到足以推動外接負(fù)載 如揚聲器 音響等 OCL 功率放大器是一種直接耦合的功率放大器 它具有頻響寬 保真度高 動態(tài)特性好及易于集成化等特點 OCL 是英文 Output Capacitor Less 的縮寫 意為無輸出電容 采用雙端電源供電 使用負(fù)電源 在電壓不太高的情況下 也能獲得比較大的輸出功率 省去了輸出端的耦合電容 使放大器低頻特性得 到擴展 OCL 功率放大電路也是定壓式輸出電路 由于電路性能比較好 所以 廣泛的應(yīng)用在高保真擴音設(shè)備中 性能優(yōu)良的集成功率放大器給電子電路的功 放級的調(diào)試帶來了極大的方便 本次課程設(shè)計主要采用分立元件電路法進(jìn)行設(shè) 計 分別設(shè)計直流穩(wěn)壓電源 前置放大電路以及功率放大電路 其中前置放大 電路采用差分式放大電路 關(guān)鍵詞 OCL 功率放大器 功率放大器 無輸出電容 功率放大電路 第 1章 緒論 4 1 1 ocl 功率放大器的意義 4 1 2 ocl 功率放大器的設(shè)計要求及參數(shù) 4 1 3 設(shè)計方案 5 第 2章 OCL 功率放大器各單元電路設(shè)計 6 2 1 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計 7 2 2 前置放大級設(shè)計 7 2 3 功率放大電路設(shè)計 9 第 3章 OCL 功率放大器整體電路設(shè)計 10 3 1 整體電路圖及工作原理 10 3 2 電路參數(shù)計算 13 3 2 1 確定電源電壓參數(shù) 13 3 2 2 確定功率輸出管的參數(shù) 13 3 2 3 復(fù)合管的參數(shù)選擇 14 3 2 4 前置放大電路部分 14 3 2 5 部分重要電阻的參數(shù)選擇 15 3 3 整體電路性能分析 15 第 4章 總結(jié) 16 參考文獻(xiàn) 17 第 1章 緒論 1 1 ocl 功率放大器的意義 OCL Output Capacitorless 出電容器電路是采用正負(fù)兩組對稱電源供電沒有 輸出電容器的直接耦合的單端推挽電路負(fù)載接在兩只輸出管中點和電源中點 OCL 功率放大器是在 OTL 功率放大器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種全頻帶直接耦合 低功放大器 它在高保真擴音系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用 1 2 ocl功率放大器的設(shè)計要求及參數(shù) 本次課程設(shè)計采用全部或部分分立元件 末級必須用分立元件 設(shè)計一 OCL 音頻功率放大器 額定輸出功率 Po 1W 負(fù)載阻抗 RL 8 失真度 3 3dB 帶寬 20 30KHz 輸入靈敏度不低于 150mV 可使用實驗室電源 1 3 設(shè)計方案 首先做一個簡單的線性電源 將 220V 交流電降壓后 采用三端輸出的電壓器 采 用橋式整流 再用簡單的濾波電路濾波 三端集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓 最后再經(jīng)濾波 電路濾波 選取 VCC 2 為地 由于輸出功率比較大 將 VCC 定值為 30V 最后 做成一個電壓穩(wěn)定的正負(fù) 15V 電源 然后將信號經(jīng)過差分式放大電路 進(jìn)行信 號放大 最后采用甲乙類互補對稱電路進(jìn)一步放大電流 最后得到波形穩(wěn)定的 輸出信號 全部采用分立原件 中間放大級采用直接耦合 圖 1 1方案一框圖 電源電路 信號輸出 輸出級乙類互補對稱放大 信號輸入集成運放放大 根據(jù)本課題要求 我們所設(shè)計的 OCL 音頻功率放大器應(yīng)由以下幾部分組成 直 流穩(wěn)壓電源 前置放大電路和功率放大電路 以下逐一加以設(shè)計及論證 電源部分 本設(shè)計的電源通過變壓器變?yōu)?20V 交流電 經(jīng)整流濾波得到 30 V 的直流電 同時直流電再經(jīng)三端集成穩(wěn)壓電路輸出 24 V 供應(yīng)前置放大電路和功率放大 器使用 信號放大部分 前置放大電路采用低噪聲雙運放 分別以相同放大的方式 作為左右通道的 信號放大 功率放大電路由三部分組成 輸入級 推動級和輸出級 輸入級由有兩個三 極管組成的差分放大電路構(gòu)成 推動級由一個三極管組成 輸出級由兩個三極 管對稱構(gòu)成 兩輸出管分別由正 負(fù)兩組電源供電 揚聲器直接接在兩輸出管 的輸出端與地之間 同時應(yīng)使本功放工作在甲乙類狀 1 3 總體設(shè)計方案框圖圖 直 流 穩(wěn) 壓 電 源 前 置 放 大 電 路 功 率 放 大 電 路 輸 出 信 號 輸 入 220V 市電 放 大 初 步 24V 24V 24V 24V 第 2章 OCL 功率放大器各單元電路設(shè)計 2 1 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計 220 V 市電經(jīng)變壓器輸出一組獨立的 20 V 交流電 大電容濾波得到 30 V 直流電 再加一個 100nF 小電容濾除電源中的高頻分量 考慮到制作過程中電 源空載時的電容放電可在輸出電容并上 601 大功率電阻 另外這組直流電還 要傳給 LM7824 LM7924 來獲得 24 V 萬一輸入端短路 大電容放電會使穩(wěn)壓塊由于反電流沖擊而損壞 加兩個二 極管可使反相電流流向輸入端起到保護(hù)作用 圖 2 1 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計 2 2 前置放大級設(shè)計 音頻功率放大器的作用是將聲音源輸入的信號進(jìn)行放大 然后驅(qū)動揚聲器 輸出 聲音源的種類有多種 如傳聲器 音源 電唱機 錄音機 放音磁頭 CD 唱機及線路傳輸?shù)?這些聲音源的輸出信號的電壓差別很大 從零點幾毫伏 到幾百毫伏 一般功率放大器的輸入靈敏度是一定的 這些不同的聲音源信號 如果直接輸入到功率放大器中的話 對于輸入過低的信號 功率放大器輸出功 率不足 不能充分發(fā)揮功放的作用 假如輸入信號的幅值過大 功率放大器的 輸出信號將嚴(yán)重過載失真 這樣將失去了音頻放大的意義 所以一個實用的音 頻功率放大系統(tǒng)必須設(shè)置前置放大器 以便使放大器適應(yīng)不同的的輸入信號 或放大 或衰減 或進(jìn)行阻抗變換 使其與功率放大器的輸入靈敏度相匹配 另外在各種聲音源中 除了信號的幅度差別外 它們的頻率特性有的也不同 如電唱機輸出信號和磁帶放音的輸出信號頻率特性曲線呈上翹形 即低音被衰 減 高音被提升 對于這樣的輸入信號 在進(jìn)行功率放大器之前 需要進(jìn)行頻 率補償 使其頻率特性曲線恢復(fù)到接近平坦的狀態(tài) 即加入頻率均衡網(wǎng)絡(luò)放大 器 對于音源和線路輸入信號 一般只需將輸入信號進(jìn)行放大和衰減 不需要 進(jìn)行頻率均衡 前置放大器的主要功能 一是使音源的輸出阻抗與前置放大器的 輸入阻抗相匹配 二是使前置放大器的輸出電壓幅度與功率放大器的輸入靈敏 度相匹配 由于音源輸出信號非常微弱 一般只有 100 V 毫伏左右 所以前置 放大器輸入級的噪聲對整個放大器的信噪比影響很大 前置放大器的輸入級首 先采用低噪聲電路 對于由晶體管組成的分立元件組成的前置放大器 首先要 選擇低噪聲的晶體管 另外還要設(shè)置合適的靜態(tài)工作點 由于場效應(yīng)管的噪聲 系數(shù)一般比晶體管小 而且它幾乎與靜態(tài)工作點無關(guān) 在要求高輸入阻抗的前 置放大器的情況下 采用低噪聲場效應(yīng)管組成放大器是合理的選擇 如果采用 集成運算放大器構(gòu)成前置放大器 一定要選擇低噪聲 低漂移的集成運算放大 器 對于前置放大器的另外一要求是要有足夠?qū)挼念l帶 以保證音頻信號進(jìn)行 不失真的放大 前端放大功能是完成小信號的電壓放大任務(wù) 提高信噪比 其 失真度和噪聲對系統(tǒng)的影響最大 是應(yīng)該優(yōu)先考慮的指標(biāo) 本設(shè)計采用雙運放 NE5532AI 實際制作中將它接成同相放大形式 運放反 相端串聯(lián) 47 F 的電解電容 讓交流信號全反饋 信號放大倍數(shù) 1 Rf R0 R0 R2 和 R8 其中 Rf為反饋電阻 在其上并聯(lián)一個電阻抑制自激震 蕩 R2 R8 為負(fù)反饋對地電阻 預(yù)計放大倍數(shù)為 20dB 左右 取 Rf 20K R0 1K Avf 1 20 1 21dB 壞電路而附加上去的 揚聲器補償電路由 R10 C4 組成 由于揚聲器為感性負(fù)載 在瞬間大動態(tài)信號作用下 容易損壞揚聲器內(nèi) 的線圈 接入 R10 C4 組成容性負(fù)載 補償由于感性負(fù)載產(chǎn)生移相 保護(hù)揚聲 器 2 3 前置放大電路設(shè)計 2 3 功率放大電路設(shè)計 電路組成 該電路主要由差動輸入放大電路 電壓放大電路 自舉電路 交越失真消除電路 復(fù)合互補電路 負(fù)反饋電路 揚聲器補償電路等組成 OCL 功率放大電路由于采用了全電路直接耦合方式 溫度漂移對電路影響比較大 采用差動輸入放大電路 抑制溫度升高導(dǎo)致的零點漂移較為理想 另一方面 共用電阻 R4 也作為負(fù)反饋電阻 通過電流負(fù)反饋作用 進(jìn)一步 減少工作點的零點漂移 當(dāng)信號經(jīng)過差動電路輸出后到后一級三極管 Q3 Q3 為 共發(fā)射級電路 共射級電路具有電壓放大作用 所以信號經(jīng) Q3 電壓放大后 輸 入到下一級 下一級 Q4 Q5 組成對稱互補放大電路 兩個三極管都為共集電極 電路 共集電極電路沒有電壓放大作用 電壓放大倍數(shù)近似為 1 但它有電流 放大作用 經(jīng) Q4 Q5 兩個互補對稱三級管組成的電路放大后 信號電壓和電流 同時被放大 也就是功率 I 被放大 最后經(jīng)功率放大三極管 Q6 Q7 輸 出 驅(qū)動揚聲器發(fā)聲 調(diào)節(jié)電位器 R 可以改變 的基集的電流 從而改變 前級差動放大電路的信號輸出大小 影響后面的每一級放大電路 使功率放大 級輸出信號的功率增大或者減小 也就是使我們所聽到的聲音增大或者減小 Q3 和 Q4 基級和集電極都并聯(lián)一個 15pf 的小電容 這個是為了防止自激而 損壞電路而附加上去的 揚聲器補償電路由 R10 C4 組成 由于揚聲器為感性 負(fù)載 在瞬間大動態(tài)信號作用下 容易損壞揚聲器內(nèi)的線圈 接入 R10 C4 組 成容性負(fù)載 補償由于感性負(fù)載產(chǎn)生移相 保護(hù)揚聲器 圖 2 4 功率放大電路設(shè)計 第 3章 OCL 功率放大器整體電路設(shè)計 3 1 整體電路圖及工作原理 220V 市電經(jīng)變壓器 橋式整流 濾波以及運放 LM7824 LM7924 可獲得 24V 的直流電 用此電源給前置放大電路及功率放大器提供能量 普通信號經(jīng)由輸入端輸入到前置放大電路 電容濾除信號中的直流量 流 入雙運放 NE5532AI 放大 放大信號可經(jīng)電阻 電容進(jìn)行負(fù)反饋 通過測試后從 輸出端輸出 形成初步放大信號 圖中 Q1 Q2 R3 R2 R4 組成單端輸入 單端輸出的差動放大電路 該電 路由于采用兩個特性相同的三極管組成對稱放大電路 并且發(fā)射極上共用電阻 R4 共同作用 達(dá)到抑制溫度漂移的效果 一方面 共用發(fā)射極電阻 使兩放大 電路由于零點漂移產(chǎn)生的參數(shù)變化同時進(jìn)行 零點漂移被抵消 具體過程如下 IC1 IB1 UBE1 IB1 IC1 T UR8 IC8 IB8 UBE8 IB8 IC8 移相 保護(hù)揚聲器 3 2 電路參數(shù)計算另一方面 共用電阻 R4 也作為負(fù)反饋電阻 通過電流 負(fù)反饋作用 進(jìn)一步減少工作點的零點漂移 當(dāng)信號經(jīng)過差動電路輸出后到后 一級三極管 Q3 Q3 為共發(fā)射級電路 共射級電路具有電壓放大作用 所以信號 經(jīng) Q3 電壓放大后 輸入到下一級 下一級 Q4 Q5 組成對稱互補放大電路 兩 個三極管都為共集電極電路 共集電極電路沒有電壓放大作用 電壓放大倍數(shù) 近似為 1 但它有電流放大作用 經(jīng) Q4 Q5 兩個互補對稱三級管組成的電路放 大后 信號電壓和電流同時被放大 也就是功率 I 被放大 最后經(jīng)功 率放大三極管 Q6 Q7 輸出 驅(qū)動揚聲器發(fā)聲 調(diào)節(jié)電位器 R 可以改變 的 基集的電流 從而改變前級差動放大電路的信號輸出大小 影響后面的每一級 放大電路 使功率放大級輸出信號的功率增大或者減小 也就是使我們所聽到 的聲音增大或者減小 Q3 和 Q4 基級和集電極都并聯(lián)一個 15pf 的小電容 這個是為了防止自激而損 壞電路而附加上去的 揚聲器補償電路由 R10 C4 組成 由于揚聲器為感性負(fù) 載 在瞬間大動態(tài)信號作用下 容易損壞揚聲器內(nèi)的線圈 接入 R10 C4 組成 容性負(fù)載 補償由于感性負(fù)載產(chǎn)生 3 2 1 確定電源電壓參數(shù) 為了達(dá)到設(shè)計要求 同時使電路安全可靠地工作 電路的最大輸出功率 Pom 應(yīng)比設(shè)計指標(biāo)大一些 一般取 Pom 1 5 2 Po 由于 Pom V 2om 2RL 因此 最大輸出電壓為 Vom 2POMRL 1 2 考慮到輸出功 率管 Q6 和 Q7 的飽和壓降 所以電源電壓常取 VCC 1 2 1 5 V om 設(shè)計要求 Po 10W 所以由以上公式可得 Pom 15 20 W Vom 15 5 17 9 VCC 18 6 26 9 V 這里我取 LM7824 LM7924 這兩個運算放大器 它們所輸出的電壓為 24V 其他指標(biāo)也均達(dá)到要求 因此它們可作為前置放大電路與功率放大器的直流穩(wěn) 壓電源 3 2 2 確定功率輸出管的參數(shù) 輸出功率管的參數(shù)選擇 輸出功率管 Q6 Q7 為同類型的 NPN 型大功率 管 其承受的最大反向電壓 UCEmax 2VCC 每管的最大集電極電流為 ICmax VCC Rl 每管的最大集電極功耗為 PCmax 0 2P om 再選擇兩管時除了要 注意 值盡量對稱外 其極限參數(shù)應(yīng)滿足下列關(guān)系 U BR CEO UCEmax 2VCC ICM ICmax PCM PCmax 所以 根據(jù)以上分析可得 U BR CEO 48 V ICM 3 A PCM 3 4 W 這里我選擇了兩個 2N3904 的管子 它們的參數(shù)基本符合以上分析的數(shù)據(jù) 3 2 3 復(fù)合管的參數(shù)選擇 Q4 Q5 分別與 Q6 Q7 組成復(fù)合管 它們承受的最大電壓均為 2VCC 在估 算 Q4 Q5 的集電極最大電流和最大管耗時 可近似為 ICmax 1 1 1 5 ICmax PCmax 1 1 1 5 ICmax 所以選擇 VT4 VT5 管時 其極限參數(shù)應(yīng)滿足 U BR CEO 2VCC ICM ICmax PCM PCmax 所以 根據(jù)以上分析可得 U BR CEO 48 V ICM 0 33 0 45 A PCM 0 33 0 6 W 這里 Q5 我選擇了 2N3904 的管子 Q4 我選擇了 2N3906 的管子 它們的參數(shù) 基本符合以上分析的數(shù)據(jù) 3 2 4 前置放大電路部分 各級均采用固定增益加輸出衰減組成 要求當(dāng)各級輸出不衰減 輸入 mVUPI5 時 輸出 VUPO53 2 對于第一級放大器 要求輸入信號最強時 輸出不失真 即在PI70 時 輸出 OM1 所以 7 15 0 1 POMUA取15 A 當(dāng)輸入信號最小時 即 PIU 10mV 而輸出不衰減時POU 1 A1 PI 15 10 150 mV 第二級放大要求輸出 PO 2 2 53V 考慮到元器件誤差的影響 取 POU 2 3V 而輸入信號最小為 150 mV 則第二級放大器倍數(shù)為 POUA 21 1 3 0 15 20 取 2A 22 因此 取 R6 1K R7 15K R17 22K R 8 1K 跟隨電路具有輸入電阻大 輸出電阻小的特點 可以做多級放大器的中間 級 即緩沖級 說得通俗一點 就是做阻抗變換 使前后級之間實現(xiàn)阻抗匹配 所 以兩級放大電路前加了跟隨電路實現(xiàn)阻抗匹配 3 2 5 部分重要電阻的參數(shù)選擇 電阻的選擇很重要 太小會影響管子的穩(wěn)定性 太大又會影響輸出功率 R7 R9 5 10 RIQ4 RIQ4為 Q4 管的等效輸入電阻 其大小為 RIQ4 rbeQ4 1 Q4 由于 R14 R8 為平衡電阻 故 R14 R8 R7 R9 RIQ4 所 以 我將電阻的參數(shù)定為 R14 R8 22 R7 R9 220 R10 與 C4 串聯(lián)的消振網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)選擇 R10 與 C4 的取值視揚聲器的頻率響 應(yīng)而定 以效果最佳為好 我取 R10 10 C4 100 F 3 3 整體電路性能分析 此功放不僅能放大普通信號 還能放大一些極其微弱的信號 經(jīng)過計算此 功放的輸出功率為 10 5W 17 7W 失真度約為 2 73 基本符合設(shè)計要求 本 次課程設(shè)計采用部分分立元件法進(jìn)行電路設(shè)計 電路結(jié)構(gòu)簡單 思路易懂 OCL 功率放大電路的方案采用甲乙類互補對稱放大可以能夠避免交越失真 總結(jié) 本設(shè)計通過方案對比 選出如下方案 首先做一個簡單的線性電源 將 220V 交流電降壓后 采用三端輸出的電壓 器 采用橋式整流 再用簡單的濾波電路濾波 三端集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓 最后再經(jīng) 濾波電路濾波 選取 VCC 2 為地 由于輸出功率比較大 將 VCC 定值為 30V 最后做成一個電壓穩(wěn)定的正負(fù) 15V 電源 然后將信號經(jīng)過差分式放大電路 進(jìn) 行信號放大 最后采用甲乙類互補對稱電路進(jìn)一步放大電流 最后得到波形穩(wěn) 定的輸出信號 直流穩(wěn)壓電源部分 220 V 市電經(jīng)變壓器輸出一組獨立的 20 V 交流電 大 電容濾波得到 30 V 直流電 再加一個 100nF 小電容濾除電源中的高頻分量 考慮到制作過程中電源空載時的電容放電可在輸出電容并上 601 大功率電阻 另外這組直流電還要傳給 LM7824 LM7924 來獲得 24 V 萬一輸入端短路 大 電容放電會使穩(wěn)壓塊由于反電流沖擊而損壞 加兩個二極管可使反相電流流向 輸入端起到保護(hù)作用 前置放大電路部分 本設(shè)計采用雙運放 NE5532AI 實際制作中將它接成同 相放大形式 運放反相端串聯(lián) 47 F 的電解電容 讓交流信號全反饋 信號放 大倍數(shù) 1 Rf R0 R0 R2 和 R8 其中 Rf為反饋電阻 在其上并聯(lián)一個電阻抑制 自激震蕩 R2 R8 為負(fù)反饋對地電阻 功率放大部分 OCL 功率放大電路采用差動輸入放大電路 抑制溫度升高 導(dǎo)致的零點漂移 共用電阻 R4 也作為負(fù)反饋電阻 進(jìn)一步減少工作點的零點漂 移 Q3 和 Q4 基級和集電極都并聯(lián)一個 15pf 的小電容 這個是為了防止自激而 損壞電路而附加上去的 接入 R10 C4 組成容性負(fù)載 補償由于感性負(fù)載產(chǎn)生 的移相 保護(hù)揚聲器 此功放不僅能放大普通信號 還能放大一些極其微弱的 信號 經(jīng)過計算此功放的輸出功率為 10 5 17 7W 失真度約為 2 73 基本 符合設(shè)計要求 參考文獻(xiàn) 1 康華光主編 電子技術(shù)基礎(chǔ) 第五版 模擬部分 M 北京 高等教育 出版社 2006 2 高吉祥主編 電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗與課程設(shè)計 第二版 M 北京 電子 工業(yè)出版社 2005 2 3 實用電子技術(shù)手冊編委會 實用電工電子技術(shù)手冊 M 北京 機械工業(yè) 出版社 2003 8 4 全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽組委會 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲獎作品精選 M 北京 北京理工大學(xué)出版社 2010 7