OCL功率放大器的設計

1、 煙 臺 南 山 學 院 模擬電子技術(shù)課程設計模擬電子技術(shù)課程設計 題目 OCL 功率放大器功率放大器的設計 姓 名：王慧強 所在學院：工學院電氣與電子工程系 所學專業(yè)：電氣工程及其自動化 班 級 電氣工程 1403 學 號 201402013026 指導教師：王選誠 完成時間：二零一五年十二月 2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，其主要任務是將音頻信號放大到足以推動外接負載，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 Ou

2、tput Capacitor Less 的縮寫，意為無輸出電容。采用雙端電源供電，使用負電源，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，所以廣泛的應用在高保真擴音設備中。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。本次課程設計主要采用分立元件電路法進行設計。分別設計直流穩(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。關鍵詞：OCL 功率放大器 功率放大器 無輸出電容 功率放大電路3第第 1 1 章章 緒論緒論 .41.1 ocl

3、功率放大器的意義.41.2 ocl 功率放大器的設計要求及參數(shù).41.3 設計方案.5第第 2 2 章章 OCLOCL 功率放大器各單元電路設計功率放大器各單元電路設計 .62.1 直流穩(wěn)壓電源設計.72.2 前置放大級設計.72.3 功率放大電路設計.9第第 3 3 章章 OCLOCL 功率放大器整體電路設計功率放大器整體電路設計 .103.1 整體電路圖及工作原理.103.2 電路參數(shù)計算.133.2.1 確定電源電壓參數(shù).133.2.2 確定功率輸出管的參數(shù).133.2.3 復合管的參數(shù)選擇.143.2.4 前置放大電路部分.143.2.5 部分重要電阻的參數(shù)選擇.153.3 整體電路性

4、能分析.15第第 4 4 章章 總結(jié)總結(jié).16參考文獻參考文獻.174第第 1 1 章章 緒論緒論1.11.1 oclocl 功率放大器的意義功率放大器的意義OCL(Output Capacitorless）出電容器電路是采用正負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)中得到了廣泛應用。1.21.2 oclocl 功率放大器的設計要求及參數(shù)功率放大器的設計要求及參數(shù) 本次課程設計采用全部或部分分立元件（末級必須用分立元件）設計一 OCL音頻功

5、率放大器額定輸出功率 Po1W負載阻抗 RL=8失真度 3%；3dB 帶寬 2030KHz；輸入靈敏度不低于 150mV可使用實驗室電源。1.31.3 設計方案設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 15V 電源。然后將信號經(jīng)過差分式放大電路，進行信號放大，最后采用甲乙類互補對稱電路進一步放大電流，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

6、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2根據(jù)本課題要求，我們所設計的 OCL 音頻功率放大器應由以下幾部分組成：直流穩(wěn)壓電源、前置放大電路和功率放大電路。以下逐一加以設計及論證電源部分本設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

7、管對稱構(gòu)成。兩輸出管分別由正、負兩組電源供電，揚聲器直接接在兩輸出管的輸出端與地之間，同時應使本功放工作在甲乙類狀 1-3 總體設計方案框圖圖直 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-24V3第第 2 2 章章 OCLOCL 功率放大器各單元電路設計功率放大器各單元電路設計2.12.1 直流穩(wěn)壓電源設計直流穩(wěn)壓電源設計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?？紤]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

8、。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作用。 圖 21 直流穩(wěn)壓電源設計2.22.2 前置放大級設計前置放大級設計音頻功率放大器的作用是將聲音源輸入的信號進行放大，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4率不

9、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)必須設置前置放大器，以便使放大器適應不同的的輸入信號，或放大，或衰減，或進行阻抗變換，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，在進行功率放大器之前，需要進行頻率補償，使其頻率特性曲線恢復到接近平坦的狀態(tài)，即加入頻率均衡網(wǎng)絡放大器。 對于音源和線路輸入信號，一般只需將輸入信號進行放大和衰

10、減，不需要進行頻率均衡。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 100V 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，另外還要設置合適的靜態(tài)工作點。由于場效應管的噪聲系數(shù)一般比晶體管小，而且它幾乎與靜態(tài)工作點無關，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

11、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、提高信噪比，其失真度和噪聲對系統(tǒng)的影響最大，是應該優(yōu)先考慮的指標。本設計采用雙運放 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 為負反饋對地電阻。預計放大倍數(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

12、聲器補償電路由 R10、C4組成，由于揚聲器為感性負載，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 組成容性負載，補償由于感性負載產(chǎn)生移相，保護揚聲5器。 2-3 前置放大電路設計2.32.3 功率放大電路設計功率放大電路設計電路組成：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、復合互補電路、負反饋電路、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，抑制溫度升高導致的零點漂移較為理想。另一方面，共用電阻 R4 也作為負反饋電阻，通過電流負反饋作用，進一步減少工作點的零點漂

13、移。當信號經(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

14、所聽到的聲音增大或者減小。6Q3 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 組成容性負載，補償由于感性負載產(chǎn)生移相，保護揚聲器。圖 2-4 功率放大電路設計7第第 3 3 章章 OCLOCL 功率放大器整體電路設計功率放大器整體電路設計3.13.1 整體電路圖及工作原理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

15、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、電容進行負反饋，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)變化同時進行，零點漂移被抵消，具體過程如下：IC1IB1 UBE1IB1IC1T UR8IC8IB8 UBE8IB8IC8 移相，保護揚聲器。3.2 電路參數(shù)計算另一

16、方面，共用電阻 R4 也作為負反饋電阻，通過電流負反饋作用，進一步減少工作點的零點漂移。當信號經(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8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

17、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 組成容性負載，補償由于感性負載產(chǎn)生3.2.13.2.1 確定電源電壓參數(shù)確定電源電壓參數(shù)為了達到設計要求，同時使電路安全可靠地工作，電路的最大輸出功率 Pom應比設計指標大一些，一般取Pom（1.52）Po。由于Pom=V 2om/2RL,因此，最大輸出電壓

18、為Vom=(2POMRL)1/2?？紤]到輸出功率管 Q6 和 Q7 的飽和壓降，所以電源電壓常取 VCC=(1.21.5)Vom。設計要求 Po10W。所以由以上公式可得Pom1520 WVom15.517.9 VCC18.626.9 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，其他指標也均達到要求。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。3.2.23.2.2 確定功率輸出管的參數(shù)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 UCEmax2VCC,每管的最大集電極電流

19、為ICmaxVCC/Rl,每管的最大集電極功耗為 PCmax0.2Pom。再選擇兩管時除了要注意值盡量對稱外，其極限參數(shù)應滿足下列關系：U(BR)CEOUCEmax2VCCICMICmaxPCMPCmax9所以，根據(jù)以上分析可得 U(BR)CEO48 V ICM3 A PCM34 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)。3.2.33.2.3 復合管的參數(shù)選擇復合管的參數(shù)選擇Q4、Q5 分別與 Q6、Q7 組成復合管，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(1.11.5)ICmax/ PCmax

20、(1.11.5)ICmax/所以選擇 VT4、VT5 管時，其極限參數(shù)應滿足 U(BR)CEO2VCC ICMICmax PCMPCmax所以，根據(jù)以上分析可得 U(BR)CEO48 VICM0.330.45 APCM0.330.6 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)。3.2.43.2.4 前置放大電路部分前置放大電路部分各級均采用固定增益加輸出衰減組成,要求當各級輸出不衰減,輸入mVUPPI5,時，輸出VUPPO53. 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mVUPPI700,時,輸出VU

21、OM11。所以7 .157 . 0/11/1POMUUA取151A。當輸入信號最小時,即PPIU,=10mV 而輸出不衰減時PPOU, 1=A1PPIU,=1510=150 mV。第二級放大要求輸出PPOU, 22.53V,考慮到元器件誤差的影響,取10PPOU, 2=3V,而輸入信號最小為 150 mV,則第二級放大器倍數(shù)為PPOUA, 21/PPOU, 1=3/0.15=20 取2A=22。因此,取 R6=1K, R7=15K, R17=22K, R18=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

22、。所以兩級放大電路前加了跟隨電路實現(xiàn)阻抗匹配。3.2.53.2.5 部分重要電阻的參數(shù)選擇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=（510）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)絡的參數(shù)選擇：R10 與 C4 的取值視揚聲器的頻率響應而定，以效果最佳為好。我取 R10=10、C4=100F。3.33.3 整

23、體電路性能分析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 10.5W17.7W，失真度約為 2.73，基本符合設計要求。本次課程設計采用部分分立元件法進行電路設計，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。11總結(jié)總結(jié)本設計通過方案對比，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 15V 電源。然后將信號經(jīng)過差分式放大電路，進行信號放大，最后采用甲乙類互補對稱電路進一步放大電流，最后得到波形穩(wěn)定的輸