模電課程設計報告--ocl功率放大器

1、<p>　　<<模擬電子技術>></p><p><b>　　課程設計報告</b></p><p>　　題 目：OCL功率放大器</p><p>　　專 業(yè)：電子信息工程</p><p>　　完成日期：2012 年6 月21 日</p><p>

2、;<b>　　OCL功率放大器</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　為了更好的理解課本內(nèi)容及提高個人動手能力，熟悉使用常見的電子器件和元件，特意布置了該課程設計。</p><p>　　該設計主要是采用單晶體管去搭建OCL功率放大器。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，

3、保真度高，動態(tài)特性好幾易于集成化等特點。OCL是Output Capacitor Less的縮寫，意為無輸出電容。采用雙電源供電，在電壓不高的情況下，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[3]。</p><p>　　關鍵詞：耦合 OCL 功率放大器 雙電源 輸出功率</p><p><b>　　ABSTRACT</b>&l

4、t;/p><p>　　In order to better understanding of the content of the book and increase personal beginning ability, familiar with use common electronic components and devices, especially for the course layout desig

5、n. </p><p>　　This design is mainly by a single transistor to build OCL power amplifier. OCL power amplifier is a direct coupling power amplifier, it has a wide frequency response, high fidelity, the dynamic

6、characteristics of the several easy integration etc. Characteristics. OCL is the abbreviation of Output Capacitor Less, meaning no Output capacitance. Adopt double power supply, in voltage is not high, can also get a big

7、 power output, tell the output terminal of the coupling capacitance, low frequency amp</p><p>　　Keywords: coupling OCL power amplifier double power output power</p><p>　　1 設計要求及方案選擇</p&g

8、t;<p><b>　　1.1 設計要求</b></p><p>　　(1)采用分立元件來搭建三級功率放大器，輸出功率大于等于10W。</p><p>　　(2)差分放大要有恒流源。</p><p>　　(3)通頻帶：上限頻率小于等于1.6kHz，下限頻率大于等于40Hz。</p><p><b>

9、;　　(4)獨立完成。</b></p><p><b>　　1.2 方案選擇</b></p><p>　　利用三極管的電流控制電壓作用將電源的功率轉(zhuǎn)換為按照輸入信號變化的電流。因為聲音是不同振幅和不同頻率的波，即交流信號電流。三極管的集電極電流永遠是基極電流的β倍，β是三極管的交流放大倍數(shù)[3]，利用這一點，若將小信號注入基極，則集電極流過的電流會等于基極

10、電流的β倍，然后將這個信號用隔直流電容隔離出來，就得到了電流（或電壓）是原先的β倍的大信號。這現(xiàn)象成為三極管的放大作用。經(jīng)過不斷的電流及電壓放大，就完成了功率放大。</p><p>　　由于OCL電路采用直接耦合方式，為了保證工作穩(wěn)定，必須采用有效措施抑制零點漂移，為了獲得足夠大的輸出功率驅(qū)動負載工作，故需要有足夠高的電壓放大倍數(shù)。因此，性能良好的OCL功率放大器應由輸入級，推動級和輸出機等部分組成。故此方案采用

11、三級放大電路。</p><p><b>　　設計思路如下：</b></p><p>　　圖1-1 設計方框圖</p><p><b>　　2 理論分析與設計</b></p><p>　　各級的工作原理及作用</p><p>　　(1)輸入級：主要作用是抑制零點漂移，保證電路

12、工作穩(wěn)定，同時對前級（音調(diào)控制級）送來的信號作用低失真，低噪聲放大。為此，采用帶恒流源的，由單管組成的差動放大電路，且設置的靜態(tài)偏置電流較小。</p><p>　　(2)推動級作用是獲得足夠高的電壓放大倍數(shù)，以及為輸出級提供足夠大的驅(qū)動電流，為此，可采帶集電極有源負載的共射放大電路，其靜態(tài)偏置電流比輸入級要大。</p><p>　　(3)輸出級的作用是給負載提供足夠大的輸出信號功率，可采用

13、有復合管構成的甲乙類互補對稱功放或準互補功放電路。</p><p>　　此外，還應考慮為穩(wěn)定靜態(tài)工作點須設置交流負反饋電路，為穩(wěn)定電壓放大倍數(shù)和改善電路性能須設置交流負反饋電路，以及過流保護電路等。電路設計時各級應設置合適的靜態(tài)工作點[3]，在組裝完畢后須進行靜態(tài)和動態(tài)測試，在波形不失真的情況下，使輸出功率最大。動態(tài)測試時，要注意消振和接好保險絲[4]，以防損壞元器件。</p><p>&

14、lt;b>　　電路設計圖如下：</b></p><p>　　圖2-1 電路設計圖</p><p><b>　　3 電路設計</b></p><p><b>　　3.1 電源設計</b></p><p>　　先設計一個放大器所需要的±12V的直流穩(wěn)壓電源，如下圖3-1所示

15、。</p><p>　　圖3-1 放大器電源電路</p><p>　　為了獲得更大的輸出電流，該電源電路不加入穩(wěn)壓部分，同時為了提高電源的穩(wěn)定性，并聯(lián)了多個大容量電容。而最后加入兩個小瓷片電容是消除長直導線的電感作用，提高電源的抗干擾能力[3]。實際電路中，為了能夠更好的觀察到電路的工作情況，已經(jīng)加入電源指示燈；對于防短路處理，已在變壓器輸出端加入保險管。</p><

16、p>　　3.2 放大器設計</p><p>　　信號首先通過差分放大電路進行放大，如下圖3-2。再通過復合管進一步放大，如下圖3-3。最后通過RL輸出。</p><p>　　圖3-2 差分放大電路</p><p>　　差分放大電路在性能發(fā)那個面有許多有點，是模擬集成電路的又一重要組成部分。上圖時用兩個特性相同的三極管Q2、Q3所組成的單端輸入單端輸出的差分

17、放大電路。圖3-2中，由Q4、Q5和R4、R5同時組成鏡像電流源[3]，因為橫流源的內(nèi)阻無窮大，故極易滿足R0>>Re（發(fā)射結(jié)電阻）的條件，這樣就可以認為R0支路相當于開路，輸入信號電壓近似地均分在兩管的輸入回路上，如圖中體現(xiàn)了射極耦合的作用。</p><p>　　圖3-3 復合管互補放大電路</p><p>　　雙極性三極管（BJT）有兩種類型：NPN型和PNP型。他們分別

18、有三個極：發(fā)射極e、集電極c和基極b。當BJT用作放大器件時，無論是NPN型還是PNP型，都應將他們的發(fā)射結(jié)加爭先偏置電壓，集電結(jié)加反向偏置電壓[3]。</p><p>　　以NPN管為例，其工作原理是：</p><p>　　(1)發(fā)射結(jié)向基區(qū)擴散載流子，形成發(fā)射極電流 IE。</p><p>　　(2)載流子在基區(qū)擴散與復合，形成復合電流IBN。</p>

19、;<p>　　(3)集電區(qū)手機載流子，形象橫集電極電流 IC。</p><p>　　BJT共射極連接時的V-I特性曲線[3]</p><p><b>　　(1)輸入特性</b></p><p>　　圖3-4 輸入特性曲線圖</p><p>　　圖3-4是NPN型硅BJT共射極連接時的輸入特性曲線。圖中示出

20、了VCE分別為0V,1V三種情況下的輸入特性曲線。因為發(fā)射結(jié)正偏，所以BJT的輸入特性曲線與半導體二極管的正向特性曲線相似，但隨著VCE的增加，特性曲線向右移動。即當VBE一定時，隨著VCE的增加，IB將減小。</p><p>　　(2)輸出特性[3]</p><p>　　圖3-5 BJT輸入特性曲線圖</p><p>　　圖3-5是NPN型硅BJT共射極連接時的

21、輸出特性曲線。圖中BJT有三個工作區(qū)域：放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)。</p><p>　　(1)放大區(qū)：在截止區(qū)以上，介于飽和區(qū)與擊穿區(qū)之間的區(qū)域為放大區(qū)[3]。在此區(qū)域內(nèi)，特性曲線近似于一簇平行等距的水平線，IC的變化量與IB的變量基本保持線性關系，即ΔIC=βΔIB，且ΔIC >>ΔIB[3]。VBE對IC的影響由基區(qū)寬度調(diào)制效應產(chǎn)生，即VBE增加時，基區(qū)有效寬度減小，載流子在基區(qū)的復合機會減少，使電

22、流放大系數(shù)β略有增加，在保持IB不變的情況下，IC將隨VBE的增大而略有增大。 </p><p>　　在放大區(qū)，三極管的發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。</p><p>　　(2)飽和區(qū)：指綠色區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi)，對應不同IB值的輸出特性曲線簇幾乎重合在一起。也就是說，VBE較小時，IC雖然增加，但IC增加不大，即IB失去了對IC的控制能力。這種情況，稱為三極管的飽和。飽和時

23、，三極管的發(fā)射給和集電結(jié)都處于正向偏置狀態(tài)。三極管集電極與發(fā)射極間的電壓稱為集一射飽和壓降，用VCES表示。VCES很小，通常中小功率硅管VCES＜0.5V；三極管基極與發(fā)射極之間的電壓稱為基一射飽和壓降，以VCES表示，硅管的VCES在0.8V左右。</p><p>　　（3） 截止區(qū)：指IB=0的那條特性曲線以下的區(qū)域。在此區(qū)域里，三極管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于反向偏置狀態(tài)，三極管失去了放大作用，集電極只有微小

24、的穿透電流ICEO。</p><p><b>　　確定工作電壓</b></p><p>　　為了達到輸出功率10W的設計要求，同時使電路安全可靠地工作，電路的最大輸出功率POM應比設計指標大些，一般取POM≈（1.5～2）PO[3]。即本設計中電路的最大輸出功率應按6～8W來考慮。</p><p><b>　　由于是</b>

25、;</p><p><b>　　POM=UOM2</b></p><p>　　因此，最大輸出電壓為</p><p><b>　　UOM=</b></p><p>　　考慮到輸出功率管V2，V4的飽和壓降和發(fā)射極電阻R10，R11的壓降，電源電壓常取</p><p>　　VCC

26、=（1.2—1.5）UOM</p><p><b>　　功率輸出級的設計</b></p><p>　　(1)輸出功率管的選擇</p><p>　　輸出功率管V4，V6為同類型的NPN型大功率管，其承受的最大反向電壓UCEmax≈2VCC，每個管的最大集電極電流為ICMmax≈VCC/R14+RL，每個管的最大集電極功耗為PCmax≈0.2POM

27、。</p><p><b>　　確定偏置電路</b></p><p>　　為了克服交越失真，二極管D3、D4、R17、R14和Q8共同組成輸出級的偏置電路，以使輸出級工作于甲乙類狀態(tài)。其中D3、D4和Q8組合，可獲得較好的溫度補償作用，而R14及Q8又組成調(diào)零電路，穩(wěn)定輸出級的靜態(tài)工作點。</p><p>　　圖3-6 輸出級偏置電路<

28、/p><p><b>　　4 系統(tǒng)測試</b></p><p>　　4.1 測試所用的基本儀表儀器</p><p>　　數(shù)字萬用表、電烙鐵、信號發(fā)生器、示波器</p><p><b>　　4.2 測試結(jié)果</b></p><p>　　接上電源后再接上示波器、信號發(fā)生器，當輸入20

29、mV的正弦波信號時，從示波器可觀察到完整的正弦信號。改接音頻輸入及揚聲器輸出時，音樂響亮，無明顯的失真，同時聲音的大小可以調(diào)動。</p><p>　　經(jīng)測試，得到如下幅頻特性表（以下數(shù)據(jù)均是在放大器的最大不失真情況下測出）</p><p>　　表4-1 硬件的幅頻特性表</p><p>　　根據(jù)上表可知，該放大器的頻帶非常寬，已經(jīng)完全包含了人耳能聽到的聲音頻率范圍

30、（20Hz~20000Hz），且信號的放大倍數(shù)比較大，基本上能滿足日常生活的需要。</p><p>　　其中，放大器的放大倍數(shù)(取1kHz下的參數(shù))</p><p>　　β = = ≈ 255</p><p><b>　　頻帶寬度</b></p><p>　　B = f H – f L = 195k-15 ≈ 195

31、kHz</p><p>　　4.3 測試結(jié)果分析</p><p>　　首次測試時，輸出的正弦信號發(fā)生飽和失真。當改為音頻輸入時，可以聽出明顯的失真聲音，過了一段時間后，輸出級對管嚴重發(fā)熱，最后沒有了輸出信號。對于飽和失真，一般是交流負反饋電路出現(xiàn)問題。經(jīng)過改變R16和R15的阻值，飽和失真消除。</p><p>　　時間過久后對管嚴重發(fā)熱，在沒有散熱設備情況下，這個

32、是正常的。當輸出級的對管發(fā)熱嚴重時，會導致該電路的靜態(tài)點漂掉，故沒有信號輸出。裝上散熱片后，故障消除，對管工作正常。</p><p><b>　　5 總結(jié)</b></p><p>　　課設的過程是艱辛的，但是收獲是巨大的。首先，我們再一次的加深鞏固了對已有的知識的理解及認識；其次，我們第一次將課本知識運用到了實際設計，使得所學知識在更深的層次上得到了加深。再次，因為這

33、次課程設計的確在某些方面存有一定難度，這對我們來講都是一種鍛煉，培養(yǎng)了我們自學、查閱搜集資料的能力；再有，計算和調(diào)試操作過程中，我們曾經(jīng)面臨過失敗、品味過茫然，但是最終我們還是堅持下來了，這就是我們意志、耐力和新年上的勝利，在今后的日子里，它必將成為我們的寶貴財富。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]江思敏,姚鵬翼.PADS電路原

34、理圖和PCB設計[M].機械工業(yè)出版社，2007.</p><p>　　[2]夏路易,石宗義.電路原理圖與電路板設計教程Protel99SE[M].北京：北京希望電子出板社，2002.</p><p>　　[3]童詩白,華成英.模擬電子技術基礎[M].北京：高等出版社，2006.</p><p>　　[4]邱關源,羅先覺.電路[M].北京：高等出版社，2006.&l

35、t;/p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　附錄A 原理圖</b></p><p><b>　　附錄B PCB圖</b></p><p><b>　　放大器PCB圖</b></p><p><b>

36、　　電源PCB圖</b></p><p><b>　　附錄C 元件清單表</b></p><p><b>　　附錄D 實物圖</b></p><p><b>　　(1)放大器實物圖</b></p><p><b>　　(2)電源實物圖</b>&