OCL功率放大器的设计报告解析

课程设计报告题目：由集成运放和晶体管组成的OCL功率放大器的设计学生姓名：郭二珍学生学号：1008220107系别：电气学院专业：自动化届别：2015年指导教师：廖晓纬电气信息工程学院制2014年3月淮南师范学院电气信息工程学院2015届课程设计报告2OCL功率放大器的设计学生：郭二珍指导老师：廖晓纬电气学院10级自动化1、绪论功率放大器(简称功放)的作用是给音频放大器的负载RL(扬声器)提供一定的输出功率。当负载一定时，希望输出的功率尽可能大，输出信号的非线性失真尽可能地小，效率尽可能高。OCL是英文OutputCapacitorLess的缩写，意为无输出电容的功率放大器。采用了两组电源供电，使用了正负电源。在输入电压不太高的情况下，也能获得较大的输出频率。省去了输出端的耦合电容，使放大器的频率特性得到扩展。OCL功率放大器是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。性能优良的集成功率放大器给电子电路功放级的调试带来了极大的方便。集成功率放大电路还具有输出功率大、外围元件少、使用方便等优点，因此在收音机、电视机、扩音器、伺服放大电路中也得到了广泛的应用。功率放大器可分为三种工作状态：(1)甲类工作状态Q点在交流负载的中点，输出的是一种没有削波失真的完整信号，但效率较低。(2)乙类工作状态Q点在交流负载线和IB=0输出特性曲线的交界处，放大器只有半波输出，存在严重的失真。(3)甲乙类工作状态Q点在交流负载线上略高于乙类工作点处，克服了乙类互补电路产生交越失真，提高了效率。因此，本设计可采用甲乙类互补电路。淮南师范学院电气信息工程学院2015届课程设计报告32、内容摘要本设计中要求设计一个由集成运放和晶体管组成的OCL功率放大器。在输入正弦波幅度Ui等于200mV，负载电阻RL等于8Ω的条件下最大输出不失真功率Po≥2W，功率放大器的频带宽度BW≥80Hz~10KHZ功率放大电路实质上是能量转换电路，它主要要求输出功率尽可能大，效率尽可能的高，非线性失真尽可能要小，功率器件的散热较好。本设计选用的是双电源供电的OCL互补推挽对称功放电路。此推挽功率放大器的工作状态为甲乙类，其目的是为了减少“交越失真”。由于两管的工作点稍高于截止点，因而均有一很小的静态工作电流ICQ。这样，便可克服管子的死区电压，使两管交替工作处的负载中电流能按正弦规律变化，从而克服了交越失真。OCL互补推挽对称功放电路一般包括驱动级和功率输出级，前者为后者提供一定的电压幅度，后者则向负载提供足够的信号频率，以驱动负载工作。因此，需要设计两部分，即驱动级和功率输出级。淮南师范学院电气信息工程学院2015届课程设计报告4一、设计题目及要求1.设计题目由集成运放和晶体管组成的OCL功率放大器的设计2.设计要求（任务）：用一片集成电路芯片和若干个晶体管设计一个OCL功率放大器主要技术指标：（1）输入信号：有效值Ui≤200mV；（2）最大输出功率：PO≥2W；（3）负载电阻：RL=8Ω；（4）通频带：BW=80Hz-10KHz；二、设计思路与步骤设计一个功率放大电路。电路主要由两大部分组成，即驱动级和输出级，驱动级如果采用分立元件，其内部电路较为复杂，它由输入级、中间级、输出级及偏置电路四部分组成，这样会加大计算的难度且不易在实际工程中使用。因此，本电路采用集成元件实现。集成运算放大电器是一种直接耦合的多级放大电路，具有放大倍数高、输入电阻高、输出电阻低的特点，为后面的电路提供足够的电压幅度。设计的一般步骤：首先，根据题目的分析确定目标，设计整个系统是由哪些模块组成，各个模块之间的信号传输，并设计OCL功率放大器的初步电路图。并考虑要用到元器件有哪些？其次，对系统进行分析，根据系统功能，选择各模块所用的电路形式和其具有的功能。然后，进行参数的选择和确定，根据系统指标的要求，确定各模块在电路中的元件参数。最后，得出总电路图，连接各模块的电路，并进行仿真和调试，多次重复得出正确的结果。淮南师范学院电气信息工程学院2015届课程设计报告5三、整体电路框图OCL互补对称功放电路一般包括驱动级和功率输出级，前者为后者提供一定的电压幅度，后者则向负载提供足够的信号频率，以驱动负载工作。3.1.1电路整体结构框图四、电路图与电路分析4.1基本反向运算放大电路（驱动级）从集成运放的符号看，可以把它看作是一个双端输入、单端输出、具有高差模放大倍数和抑制温度漂移能力的放大电路。运算放大器可用下图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中5、6为两个信号输入端，2、7为正、负电源端，1为输出端。5为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；6为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同.它在电路图中可构成反向比例运算电路。4.1.1集成运放电路输入交流信号驱动级运算放大器电路负反馈电路末级功放电路OCL互补对称功放电路输出保护电路输出级偏置电路淮南师范学院电气信息工程学院2015届课程设计报告6如上图4.1.1所示，输入电压通过R1作于运放的反向端,R3跨接在运放的输入端和反向端之间，同相端接地。由“虚断”、“虚短”、“虚地”的概念可求出其电压增益：vi/R1=_-v0/R3Av=u0/ui=-R3/R1由上图中数据计算得其放大倍数Av=u0/ui=-R3/R1=-600/10=60倍集成运放的仿真图如下4.1.2集成运放的仿真电路图1)若输入信号Ui=200mv，频率=100HZ的正弦波时淮南师范学院电气信息工程学院2015届课程设计报告7可得如下的波形图4.1.3仿真波形图由以上波形图可知通道A的电压有效幅值为200mv，通道B的电压的幅值为100v放大倍数Av=100/0.2=500倍通过调节通道B的电压值可得到不同的电压放大倍数。2)点击幅频按钮可以在波特图观察窗口显示幅频特性曲线4.1.4频率特性曲线图3)点击相频按钮可以在波特图观察窗口显示相频特性曲线4.1.5相频特性曲线图淮南师范学院电气信息工程学院2015届课程设计报告84.2OCL互补对称电路1）双电源供电;2）输出端不加隔直电容。C的作用：隔直通交；储存电能，代替一个电源。4.2.1消除交越失真的多级OCL电路其仿真电路图如下4.2.2多级放大的OCL仿真电路图淮南师范学院电气信息工程学院2015届课程设计报告9调节RP2=50%时，其波形图如下：4.2.3仿真波形图将上图两二极管短路，其仿真电路图如下：4.2.4二极管短路仿真电路图其波形图为4.2.5二极管短路仿真波形图淮南师范学院电气信息工程学院2015届课程设计报告10观察波形图可知当二极管被短路时，电路将出现较为严重的失真现象。由此可以看出利用二极管进行偏置的互补对称电路可以克服电路的失真现象。3）静态分析工作原理三极管Q1和Q2为NPN型管和PNP型管，Q1、Q2组成互补输出级。静态时，在D3、D4上产生的压降为Q1、Q2提供了一个适当的偏压，使之处于微导通状态。由于电路对称，静态时ic1=ic2,iL=0,v0=0。而当有信号时，由于电路工作在甲乙类，即使vi很小，基本上可线性地进行放大。动态时，当信号处于正半周时，Q2截止，Q1承担放大任务，有电流通过负载RL。而当信号处于负半周时，Q1截止，Q2承担放大任务，仍有电流流过负载RL。这样就能实现静态时两管不导电，而有信号时Q1、Q2轮流导电。静态时支路的电流0I可由下式计算：I0=(VCC+VSS-2VD)/(R4+RB+R6)式中，DV为二极管的正向导通压降。为了减少静态功耗和克服交越失真，静态时Q1、Q3应工作在微导通状态，即满足下列关系：VD1+VD2=VB1+VBE2称此状态为甲乙类状态。二极管1D、2D与三极管Q1、Q2应为同类型的半导体材料，如1D、2D为硅二极管2N3094和2N3096，则Q1、Q3应为硅三极管。RP2用于调整复合管的微导通状态，其调整范围不能太大，一般采用几百欧姆或1K电位器，安装电路时首先应使RB的阻值为0，在调整输出级静态工作电流或输出波形的交越失真时再逐渐增大阻值。否则会因为RP2的阻值较大而使复合管损坏。4）静态工作点设置为防止输出端与负载RL直接耦合，造成直流电流对负载的影响，输出端的静态电位必须为零。若输出端电位不为零，可能会造成负载的发热等一系列的问题，解决方法是在输出端加电容。假设参数完全对称,静态时功放的输出端UO对地的电位应为0，Uo=0,输出点称为“交流零点”。淮南师范学院电气信息工程学院2015届课程设计报告11Q1、Q2工作在乙类状态，输出信号会出现失真，0I过大会增加静态功耗使功放的效率降低。综合考虑，对于数瓦的功放，一般取0I=1mA~3mA，以使Q1、Q2工作在甲乙类状态。5)参数的计算电源电压的确定(1)交流电源200mV由示波器提供。(2)直流电源电压的计算：电源电压的高低，决定着输出电压的大小，而输出电压又由输出功率决定，所以指标给定了输出功率，即可求出电源电压：因为LomLooRVRVP22)21(所以输出电压最大值VOM=2*PO*RL取绝对值,本次试验选取VCC=+12V,VSS=-12V。(3)若取静态电流0I=1mA，由下式：I0=(VCC+VSS-2VD)/(R4+R6+RB)得R4+R6+RB=(24-1.4)/1mA=22.6kR4=(VCC-VBE1)/I0=(12-0.7)/1mA=11.3K由电路的对称性取R4=R6=11K,RB为1K的电位器，用于调节电路的失真波形。由工程经验知：R8和R12用于减少复合管的穿透电流，提高电路的稳定性，一般为几十欧姆到几百欧姆。R13、R14为负反馈电路，可以改善功放的性能，一般为几欧姆。R7、R9称为平衡电阻，使1T、3T的输出对称，一般为几十欧姆至几百欧姆。6）元器件清单元器件名称元器件名称元器件参数数目R110K1R3600K1R4、R611K2RP25001淮南师范学院电气信息工程学院2015届课程设计报告124.2.6元件列表用到的仿真设备有：函数信号发生器、瓦特表、示波器、波特图仪。7）本设计电路的总体设计图如下这是由集成运放与晶体管组成的OCL功放电路如下图所示。其中运放为驱动级，晶体管Q1-Q4组成复合式晶体互补对称电路。4.2.7总电路图电阻RL81R1010K1R7、R91002R8、R122402R13、R1412电容C21uF2C315uF1二极管D3、D41N53992三极管Q12N39041Q22N30961Q3、Q42N22222运放3554AM1淮南师范学院电气信息工程学院2015届课程设计报告13由电路图可知，本设计采用集成运放作为驱动级的OCL功率放大电路，是由输入级、驱动级、输出级及偏置电路组成。输入级由C2和R10组成，驱动级采用集成运放,输出级由双电源供电的OCL互补对称电路构成。为了克服交越失真，由二极管和电阻构成输出级的偏置电路，以使输出级工作于甲乙类状态。为了稳定工作状态和功率增益并减小失真，电路中引入反馈。该放大电路采用复合管无输出耦合电容，并采用正负两组双电源供电。五、电路的仿真和调试1）总仿真电路图如下5.1.1总仿真电路图2）当输入频率为100Hz，有效值为141mv的正弦波时淮南师范学院电气信息工程学院2015届课程设计报告14（1）双击示波器按钮可得如下波形图5.1.2仿真波形图（2）双击瓦特表可得输入功率与输出功率如下5.1.3功率示数表由瓦特表的上的示数可计算出其功率的放大倍数为Po/Pi=(2326*1000000)/970.665=2400000由计算可知其功率的放大倍数很大，为输入功率的2400000倍。(3）在保证输入信号Ui大小不变的条件下，改变信号发生器的频率，用交流毫伏表测出U0=0.707Uom时，所对应的放大器上限截止频率fL和下限截止频率fH分别为fL=71.444HZ，fH=58.729KHZ。淮南师范学院电气信息工程学院2015届课程设计报告15点击幅频按钮可得如下幅频特性图5.1.4幅频特曲线性图六、PR