OCL功率放大器設(shè)計(jì)教學(xué)教材

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。OCL功率放大器設(shè)計(jì)實(shí)用電子線路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)題目：OCL功率放大器設(shè)計(jì)姓名：XXX學(xué)號(hào)：XXXXXXX班級(jí)：電信092專業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)間：2011-2012學(xué)年上學(xué)期教師評(píng)分：2011年12月15日目錄TOCo1-3hzuHYPERLINKl_Toc28953概述PAGEREF_Toc289533HYPERLINKl_Toc9443一、任務(wù)及要求：PAGEREF_Toc94434HYPERLINKl_Toc5451.設(shè)計(jì)任務(wù)PAGEREF_Toc5454HYPERLINKl_Toc167

2、742.設(shè)計(jì)要求PAGEREF_Toc167744HYPERLINKl_Toc31532二總體方案設(shè)計(jì)PAGEREF_Toc315324HYPERLINKl_Toc120691.設(shè)計(jì)思路PAGEREF_Toc120694HYPERLINKl_Toc223152.OCL功放各級(jí)的作用和電路結(jié)構(gòu)特征PAGEREF_Toc223154HYPERLINKl_Toc7987三單元電路的選擇及設(shè)計(jì)PAGEREF_Toc79875HYPERLINKl_Toc89591、設(shè)計(jì)方案PAGEREF_Toc89595HYPERLINKl_Toc285112、設(shè)計(jì)選擇PAGEREF_Toc285115HYPERLIN

3、Kl_Toc164(1)設(shè)計(jì)一個(gè)放大器所需要的直流穩(wěn)壓電源PAGEREF_Toc1645HYPERLINKl_Toc12438(2)差分放大電路電路圖PAGEREF_Toc124386HYPERLINKl_Toc24749(3)復(fù)合管放大電路電路圖PAGEREF_Toc247497HYPERLINKl_Toc3858(4)的倍增電路電路圖PAGEREF_Toc38587HYPERLINKl_Toc3223四.總體電路圖PAGEREF_Toc32239HYPERLINKl_Toc12480五元器件參數(shù)的選擇：PAGEREF_Toc1248010HYPERLINKl_Toc15214a.確定工作電

4、壓PAGEREF_Toc1521410HYPERLINKl_Toc19203b.功率輸出級(jí)的設(shè)計(jì)：PAGEREF_Toc1920311HYPERLINKl_Toc6746c.推動(dòng)級(jí)（V4）的設(shè)計(jì)PAGEREF_Toc674612HYPERLINKl_Toc19271d.輸入級(jí)的設(shè)計(jì)PAGEREF_Toc1927113HYPERLINKl_Toc20504六、總結(jié)與體會(huì)PAGEREF_Toc2050415概述(1)放大電路實(shí)質(zhì)上都是能量轉(zhuǎn)換電路。從能量控制的觀點(diǎn)來(lái)看，功率放大電路和電壓放大電路沒有本質(zhì)的區(qū)別。但是，功率放大電路和電壓放大電路所要完成的任務(wù)是不同的。對(duì)電壓放大電路的主要的要求是使其

5、輸出端得到不失真的電壓信號(hào)，討論的主要指標(biāo)是電壓增益，輸入和輸出阻抗等，輸出的功率并不一定大。而功率放大電路則不同，它主要要求獲得一定的不失真（或失真較?。┑妮敵龉β?，因此功率放大電路包含這一系列在電壓放大電路中沒有出現(xiàn)過(guò)的特殊問題，這些問題是：要求輸出功率盡可能大為了獲得大的功率輸出，要求功放管的電壓和電流都有足夠大的輸出幅度，因此器件往往在接近極限運(yùn)用狀態(tài)下工作。效率更高(2)由于輸出功率大，因此直流電源消耗的功率也大，這就存在一個(gè)效率問題。所謂效率就是負(fù)載得到的有用信號(hào)功率和電源供給的直流功率的比值。這個(gè)比值越大，意味著效率越高。非線性失真小(3)功率放大電路是在大信號(hào)下工作，所以不可避

6、免地會(huì)產(chǎn)生非線性失真，而且同一功放管輸出功率越大，非線性失真往往越嚴(yán)重，這就使輸出功率和非線性失真成為一對(duì)主要矛盾。但是，在不同場(chǎng)合下，對(duì)非線性失真的要求不同。(4)功率器件的散熱問題:在功率放大電路中，為了輸出較大的信號(hào)功率，器件承受的電壓高。為了充分利用允許的管耗而使管子輸出足夠大的功率，放大器件的散熱就成為一個(gè)重要問題了。(5)此外，在功率放大電路中，為了輸出較大的信號(hào)功率，器件承受的電壓要高，通過(guò)的電流要大，功率管損壞的可能性也就比較大，所以功率管的損壞與保護(hù)問題也不容忽視。(6)OCL功率放大器是一種一種直接耦合的功率放大器，它具有頻響寬，保真度高，動(dòng)態(tài)特性好及易于集成化等特點(diǎn)。OC

7、L是英文OutputCapacitorLess的縮寫，意為無(wú)輸出電容。采用兩組電源供電，使用了正負(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(kuò)展。OCL功放電路也是定壓式輸出電路。一、任務(wù)及要求：1.設(shè)計(jì)任務(wù)(1)全部或部分分離原件(2)額定輸出功率=8W(3)負(fù)載電阻=8(4)失真度3%(5)設(shè)計(jì)放大器所用直流穩(wěn)壓電源2.設(shè)計(jì)要求(1)畫出電路原理圖(2)元器件及參數(shù)選擇(3)電路的仿真及調(diào)試二總體方案設(shè)計(jì)1.設(shè)計(jì)思路功率放大器的作用是給負(fù)載提一定的輸出功率，當(dāng)定時(shí)，希望輸出功率盡可能大，輸出信號(hào)的非線性失真盡可能小，且效率盡可能高。由

8、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(diǎn)漂移，為了獲得足夠大的輸出功率驅(qū)動(dòng)負(fù)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(yīng)由輸入級(jí)，推動(dòng)級(jí)和輸出級(jí)部分組成。2.OCL功放各級(jí)的作用和電路結(jié)構(gòu)特征輸入級(jí)：主要作用是抑制零點(diǎn)漂移，保證電路工作穩(wěn)定，同時(shí)對(duì)前級(jí)（音調(diào)控制級(jí)）送來(lái)的信號(hào)作用低失真，低噪聲放大。為此，采用帶恒流源的，由復(fù)合管組成的差動(dòng)放大電路，且設(shè)置的靜態(tài)偏置電流較小。推動(dòng)級(jí)的用是獲得足夠高的電壓放大倍數(shù)，以及為輸出級(jí)提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流，為此，可采用集電極有源負(fù)載的共射放大電路，其靜態(tài)偏置電流比輸入級(jí)要大。輸出級(jí)的作用是給負(fù)載提

9、供足夠大的輸出信號(hào)功率，可采用有復(fù)合管構(gòu)成的甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功放或準(zhǔn)互補(bǔ)功放電路。三單元電路的選擇及設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)方案利用三極管的電流控制作用或場(chǎng)效應(yīng)管的電壓控制作用將電源的功率轉(zhuǎn)換為按照輸入信號(hào)變化的電流。因?yàn)槁曇羰遣煌穹筒煌l率的波，即交流信號(hào)電流，三極管的集電極電流永遠(yuǎn)是基極電流的倍，是三極管的交流放大倍數(shù)，應(yīng)用這一點(diǎn)，若將小信號(hào)注入基極，則集電極流過(guò)的電流會(huì)等于基極電流的倍，然后將這個(gè)信號(hào)用隔直電容隔離出來(lái)，就得到了電流(或電壓)是原先的倍的大信號(hào)，這現(xiàn)象成為三極管的放大作用。經(jīng)過(guò)不斷的電流及電壓放大，就完成了功率放大。2、設(shè)計(jì)選擇(1)設(shè)計(jì)一個(gè)放大器所需要的直流穩(wěn)壓電源又則可以得出=

10、17V24V,此時(shí)取=20V.該直流穩(wěn)壓電源的圖形如圖所示：在電子線路中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源供電。小功率穩(wěn)壓電源一般有電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路等四部分組成。電源變壓器是將交流電網(wǎng)220V的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?，然后通過(guò)整流電路將交流電壓變成脈動(dòng)的直流電壓。由于此脈動(dòng)的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過(guò)濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動(dòng)（一般有10%左右的波動(dòng)）、負(fù)載和溫度的變化而變化，因而在整流、濾波電路之后，還需接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。當(dāng)負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓穩(wěn)定

11、。(2)差分放大電路電路圖差分放大電路在性能放大那個(gè)面有許多優(yōu)點(diǎn)，是模擬集成電路的又一重要組成部分。上圖時(shí)用兩個(gè)特性相同的三端器件V1、V2所組成的單端輸入的差分放大電路。圖中R0為實(shí)際電流源的動(dòng)態(tài)輸出電阻，其阻值一般很大，容易滿足R0Re（發(fā)射結(jié)電阻）的條件，這樣就可以認(rèn)為R0支路相當(dāng)于開路，輸入信號(hào)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。(3)復(fù)合管放大電路電路圖雙極性三極管（BJT）有兩種類型：NPN型和PNP型。他們分別有三個(gè)極：發(fā)射極e、集電極c和基極b。當(dāng)BJT用作放大器件時(shí)，無(wú)論是NPN型還是PNP型，都應(yīng)將他們的發(fā)射結(jié)加爭(zhēng)先偏置電壓，集電結(jié)加反向偏置電壓。

12、(4)的倍增電路電路圖的倍增電路交越失真：電子學(xué)名詞，是指放大電路中，輸出信號(hào)并非輸入信號(hào)的完全、真實(shí)的放大，而是多多少少走了樣，這種走樣即是失真,引起失真有多種.我們?cè)诜治鰰r(shí)，是把三極管的門限電壓看作為零，但實(shí)際中，門限電壓不能為零，且電壓和電流的關(guān)系不是線性的，在輸入電壓較低時(shí)，輸出電壓存在著死區(qū)，此段輸出電壓與輸入電壓不存在線性關(guān)系，產(chǎn)生失真。這種失真出現(xiàn)在通過(guò)零值處，因此它被稱為交越失真。由于晶體管的門限電壓不為零，比如硅三極管，NPN型在0.7V以上才導(dǎo)通，這樣在00.7就存在死區(qū)，不能完全模擬出輸入信號(hào)波形，PNP型小于-0.7V才導(dǎo)通，比如當(dāng)輸入的交流的正弦波時(shí)，在-0.70.7

13、之間兩個(gè)管子都不能導(dǎo)通，輸出波形對(duì)輸入波形來(lái)說(shuō)這就存在失真，即為交越失真。我們克服交越失真的措施是：避開死區(qū)電壓區(qū)，使每一晶體管處于微導(dǎo)通狀態(tài)，一旦加入輸入信號(hào)，使其馬上進(jìn)入線性工作區(qū)可以給互補(bǔ)管一個(gè)靜態(tài)偏置。此時(shí)我們利用二極管和電阻的壓降產(chǎn)生偏置電壓從而克服交越失真.四.總體電路圖1.工作原理簡(jiǎn)單介紹：（1）用差分放大輸入級(jí)抑制零漂，如前所述，為了使在靜態(tài)時(shí)沒有直流電流通過(guò)，即A點(diǎn)的靜態(tài)直流電位為零，所以采用正，負(fù)對(duì)稱的兩個(gè)小電源（，）。但是溫度的變化又會(huì)引起零漂，所以應(yīng)采用差分放大器作為輸入級(jí)，用它來(lái)抑制A點(diǎn)電位因受溫度等因素影響而產(chǎn)生的零漂。（2）其他元器件的作用:V3管為激勵(lì)級(jí)，它把V

14、1管輸出信號(hào)再進(jìn)行一次放大后去推動(dòng)功率輸出級(jí)的功放管工作，故該級(jí)又稱為推動(dòng)級(jí)。C5是高頻負(fù)反饋電容，防止V3高頻自激。（3）R7，V8，V9為功放管提供靜態(tài)偏置，防止交越失真，把V4，V5基極直流電信分開，并利用V8，V9補(bǔ)償功放管的溫度特性，以穩(wěn)定功放管的基極偏流。（4）R5，C3，R6組成電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。C3對(duì)低頻信號(hào)短路，分壓比R6/（R5+R6）為反饋系數(shù)，R6越大，反饋量越大，反饋越強(qiáng)。分壓比適當(dāng)則既可減小信號(hào)非線性失真，又不致造成放大器增益下降太多。（5）R16，C6稱中和電路，防止由于感性負(fù)載而引起高頻自激。（6）R4，C2是差動(dòng)放大器的電源濾波電路。（7）C4是自舉電容，用

15、來(lái)提高功率輸出級(jí)的增益。由圖可知，當(dāng)輸入信號(hào)u1為正半周時(shí)，經(jīng)V1，V2和V3次放大并反相，也為正半周，則V4，V6復(fù)合管導(dǎo)通，信號(hào)放大后經(jīng)R14，地，返回V4，V6形成回路，在負(fù)載上有放大了的正半周電流通過(guò)，其方向如圖中的實(shí)線所示。同理可知負(fù)半周上的通過(guò)，如圖中虛線所示。這樣輪流推挽工作，在上就獲得功率放大后的完整信號(hào)。五元器件參數(shù)的選擇：a.確定工作電壓為了達(dá)到額定輸出功率=8W的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)使電路安全可靠地工作，電路的最大輸出功率應(yīng)比設(shè)計(jì)指標(biāo)大些，一般取。又又考慮到輸出功率管V2，V4的飽和壓降和發(fā)射極電阻R10，R11的壓降，電源電壓常取同直流穩(wěn)壓電源一樣取=20V。b.功率輸出級(jí)的

16、設(shè)計(jì)：輸出功率管的選擇輸出功率管V4，V6為同類型的NPN型大功率管，則有：1.每個(gè)晶體管的最大集電極電流為，2.承受的最大反向電壓，3.每個(gè)晶體管的最大集電極功耗為,選查閱手冊(cè)選取3DD5B選擇(R11+R12)=R13=（510）（10+51*0.5）=選擇R13=220選擇R11=R12=110。查表得到，3DK4A(NPN)3CG4A(PNP)c.推動(dòng)級(jí)（V4）的設(shè)計(jì)為保證對(duì)后級(jí)有足夠的驅(qū)動(dòng)電流則有：又因?yàn)镽7，V8，V9為功放管提供靜態(tài)偏置，而V8，V9補(bǔ)償功放管的溫度特性，這里R7與R8只是起限流保護(hù)電路的作用，其參數(shù)的選擇一般不會(huì)對(duì)電路造成較大的影響，則可以選取R7=R8=100

17、.直流穩(wěn)壓電源中器件參數(shù)的配置見圖中表示d.輸入級(jí)的設(shè)計(jì)當(dāng)該電路中所需的頻率范圍為20HZ20KHZ,并且假定該信號(hào)源信號(hào)電壓不超過(guò)100mV.六、總結(jié)與體會(huì)通過(guò)這段時(shí)間的學(xué)習(xí),然我有所進(jìn)步.不過(guò)通過(guò)不斷的努力,我最終完成了任務(wù).剛開始我借來(lái)了一份高保真音頻功率放大器的電路原理圖，但離實(shí)際應(yīng)用差距較大，有些器件很難找到，后來(lái)到網(wǎng)上搜索了一下相關(guān)內(nèi)容，順便到學(xué)校圖書館借相關(guān)書籍，經(jīng)過(guò)不斷比較與討論，最終敲定了高保真音頻功率放大器的電路原理圖，并且詢問了兄弟班關(guān)于元器件的參數(shù)情況。為下步實(shí)物連接打好基礎(chǔ)。在做電路仿真時(shí)，我畫好了電路原理圖，修改好參數(shù)后，創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)列表時(shí)系統(tǒng)總是報(bào)錯(cuò),無(wú)論我怎樣修改都不行，后來(lái)請(qǐng)教同學(xué)，他們也遇到了同樣的困惑。任何事情都不可能是一帆風(fēng)順的，開始是創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)表時(shí)出現(xiàn)問題，后來(lái)是沒有差錯(cuò)但出來(lái)的仿真波形不是預(yù)計(jì)中的，這確實(shí)很難修改。輸出時(shí)仿真波形總是一條直線，我弄了一晚上也找不出原因，整個(gè)人也顯得焦躁不已。接下來(lái)，開始了我們的實(shí)物焊接階段。之前的電工實(shí)習(xí)讓我簡(jiǎn)單的接觸到了焊接實(shí)物，以為會(huì)比較輕松，但實(shí)際焊接起來(lái)才發(fā)現(xiàn)此次與電工實(shí)習(xí)中的焊接實(shí)物有很大的不同，要自己對(duì)焊板上元件進(jìn)行布置和焊接電路元件連線，增加了很大的難度。由于采用了電路板，為了使步線美觀、簡(jiǎn)潔，還真是費(fèi)了我們不