南京航空航天大學(xué)2013電子電路設(shè)計大賽試題 A程控音頻OCL功率放大器

1、電賽試題分析A A題：程控音頻題：程控音頻OCLOCL功率放大器功率放大器羅迪羅迪20132013年年1111月月1 1日日一、任務(wù)一、任務(wù)設(shè)計并制作一個設(shè)計并制作一個功率可程控功率可程控的、有的、有輸出功率顯示輸出功率顯示的的OCLOCL音頻功率放大器，其結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。音頻功率放大器，其結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。1 1、基本要求、基本要求 用用分立元件分立元件（指后級（指后級OCLOCL功率放大部分）制作，供電功率放大部分）制作，供電電源為（測試時僅提供電源為（測試時僅提供15V15V電源），輸入信號電壓幅度電源），輸入信號電壓幅度為為(10mV-1000mV)V(10mV-1000mV)V

2、RMSRMS，測試電阻用，測試電阻用8 8歐純阻負載歐純阻負載，放大器，放大器應(yīng)滿足：應(yīng)滿足： （1 1）失真度）失真度10% 10% 時輸出功率時輸出功率P PO O6W6W；（2 2）頻率響應(yīng)為）頻率響應(yīng)為30Hz-10000Hz30Hz-10000Hz；（3 3）在輸入端交流短路接地，輸出端交流信號）在輸入端交流短路接地，輸出端交流信號20mVpp20mVpp；（4 4）在信號源的幅度和頻率固定為某一值時，可以設(shè)置輸）在信號源的幅度和頻率固定為某一值時，可以設(shè)置輸出功率，并實時測量、顯示輸出功率。出功率，并實時測量、顯示輸出功率。2 2、發(fā)揮部分、發(fā)揮部分（1 1）在信號源的幅度和頻率固

3、定為某一值時，）在信號源的幅度和頻率固定為某一值時，顯示的輸出功率顯示的輸出功率PsPs，與設(shè)定功率與設(shè)定功率PgPg的相對誤的相對誤差差|(Ps-Pg)/Pg|3%|(Ps-Pg)/Pg|3%；（2 2）頻率響應(yīng)為）頻率響應(yīng)為20Hz-22000Hz20Hz-22000Hz；（3 3）失真度）失真度3%3%時輸出功率時輸出功率P PO O7.5W7.5W；（4 4）其它）其它。初步分析 8 8歐姆電阻實際上是模擬揚聲器作為負載，整個題歐姆電阻實際上是模擬揚聲器作為負載，整個題目就是一個完整的前端設(shè)備對音頻信號的處理過程。目就是一個完整的前端設(shè)備對音頻信號的處理過程。 模擬電路知識為主，主要考

4、察模擬電路知識為主，主要考察比例運算電路比例運算電路，功率功率放大電路放大電路以及以及濾波器電路濾波器電路設(shè)計與實現(xiàn)，對設(shè)計與實現(xiàn)，對頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)、失失真度真度、輸出功率輸出功率等參數(shù)做出了具體要求，且要求較高，等參數(shù)做出了具體要求，且要求較高，難度較大。難度較大。 單片機主要實現(xiàn)功率檢測與閉環(huán)控制，實現(xiàn)功率程單片機主要實現(xiàn)功率檢測與閉環(huán)控制，實現(xiàn)功率程控功能控功能。系統(tǒng)框圖信號源信號源（10mV-10mV-1000mV1000mV）信號幅度放信號幅度放大（前級放大（前級放大）大）信號功率放信號功率放大（電流放大（電流放大為主）大為主）負載功率輸負載功率輸出出單片機單片機調(diào)節(jié)增益調(diào)節(jié)增益功

5、率檢測功率檢測要點與難點分析1.1.顯示輸出功率，且功率可程控。顯示輸出功率，且功率可程控。2.2.分立元件實現(xiàn)分立元件實現(xiàn)OCLOCL功放電路。功放電路。要點與難點分析難點難點1 1： 信號信號變化幅度為變化幅度為10mV-1000mV10mV-1000mV，且功率需大于，且功率需大于6W6W（發(fā)揮部分要求大于（發(fā)揮部分要求大于7.5W7.5W），怎樣），怎樣實現(xiàn)高精度增益調(diào)實現(xiàn)高精度增益調(diào)節(jié)和控制節(jié)和控制？三三種可選方案：種可選方案：1.1.通過通過繼電器切換電阻網(wǎng)絡(luò)繼電器切換電阻網(wǎng)絡(luò)來控制運放的增益。來控制運放的增益。2.2.通過通過數(shù)字電位計數(shù)字電位計來調(diào)節(jié)運放增益。來調(diào)節(jié)運放增益。3

6、.3.通過通過壓控壓控或或程控程控放大器來調(diào)節(jié)增益。放大器來調(diào)節(jié)增益。要點與難點分析方案一，方案二均是通過改變方案一，方案二均是通過改變運放反饋運放反饋電阻電阻RfRf的阻值的阻值來調(diào)節(jié)增益。來調(diào)節(jié)增益。方案三采用特殊型號運放來調(diào)節(jié)增益。方案三采用特殊型號運放來調(diào)節(jié)增益。方案一：繼電器切換電阻網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點：電路簡單，控制方便，成本低廉。優(yōu)點：電路簡單，控制方便，成本低廉。不足：精度難以達到題目的要求，難以達到發(fā)不足：精度難以達到題目的要求，難以達到發(fā)揮部分中的要求（揮部分中的要求（1 1）（）（實際功率與設(shè)定功率誤實際功率與設(shè)定功率誤差不超過差不超過3%3%）方案二：數(shù)字電位計調(diào)節(jié)優(yōu)點：代替?zhèn)鹘y(tǒng)的

7、機械式電位器，可以用單片優(yōu)點：代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械式電位器，可以用單片 機實現(xiàn)程控。機實現(xiàn)程控。不足：分辨率有限，精度不夠，調(diào)節(jié)范圍有限。不足：分辨率有限，精度不夠，調(diào)節(jié)范圍有限。方案三：壓控或程控運放調(diào)節(jié)壓控型：壓控型：TITI的的VCAVCA系列系列程控型：程控型：TITI的的PGAPGA系列系列優(yōu)點：步進小，精度高，由優(yōu)點：步進小，精度高，由D/AD/A或單片機或單片機直接控制。直接控制。不足：價格昂貴，噪聲相對較大，在實不足：價格昂貴，噪聲相對較大，在實際音頻處理中運用不多。際音頻處理中運用不多。VCA810VCA810結(jié)構(gòu)簡圖結(jié)構(gòu)簡圖要點與難點分析難點難點2 2： 分立元件來構(gòu)建分立元件來

8、構(gòu)建OCLOCL功率放大電路，對模電功率放大電路，對模電知識的理解及實際動手能力是一個很大的挑戰(zhàn)知識的理解及實際動手能力是一個很大的挑戰(zhàn)。功率放大電路要考慮的問題：功率放大電路要考慮的問題：1 1、波形不失真。、波形不失真。2 2、放大電路本身不產(chǎn)生自激現(xiàn)象。、放大電路本身不產(chǎn)生自激現(xiàn)象。3 3、達到所要求的輸出功率。、達到所要求的輸出功率。OCL電路 省去輸出端大電容的功率放大電路通常省去輸出端大電容的功率放大電路通常稱為稱為OCLOCL電路。其中，電路。其中，OCLOCL是是Output CapacitoOutput CapacitorLess rLess 的縮寫。的縮寫。 OCL OCL

9、是是OTLOTL電路的升級，優(yōu)點是省去了輸電路的升級，優(yōu)點是省去了輸出電容，使系統(tǒng)的低頻響應(yīng)更加平滑。缺點出電容，使系統(tǒng)的低頻響應(yīng)更加平滑。缺點是必須用雙電源供電，增加了電源的復(fù)雜性。是必須用雙電源供電，增加了電源的復(fù)雜性。功放分析 模電里我們學(xué)過，模電里我們學(xué)過，OTL OTL 功放電路省去了輸出變功放電路省去了輸出變壓器，壓器，OCL OCL 型功放型功放電路電路又進一步省去了輸出耦合電容。又進一步省去了輸出耦合電容。無論是在無論是在頻率響應(yīng)還是頻率響應(yīng)還是在非線性失真上，都比在非線性失真上，都比OTL OTL 功功放電路有更大的放電路有更大的改善改善，這是由于去掉了耦合電容，改，這是由于

10、去掉了耦合電容，改善了低頻響應(yīng)。善了低頻響應(yīng)。因為因為耦合電容對音頻信號的容抗與頻耦合電容對音頻信號的容抗與頻率成反比關(guān)系，率成反比關(guān)系，頻率頻率越低容抗越大，這就使低頻響應(yīng)越低容抗越大，這就使低頻響應(yīng)受到限制。受到限制。OCL OCL 功放功放電路必須采用電路必須采用正負對稱電源正負對稱電源供電，供電，全電路用全電路用直接直接耦合耦合的方式，因此電路的的方式，因此電路的零點漂移零點漂移較為較為嚴重，為降低嚴重，為降低零點漂移零點漂移，OCL OCL 電路的輸入級往往采用電路的輸入級往往采用了了差動放大電路差動放大電路。OCL電路OCL電路 要獲得較大的功率，考慮選用一些要獲得較大的功率，考慮

11、選用一些大功率的大功率的NPNNPN、PNPPNP對管對管構(gòu)成互補推挽級。由于功率較大，三極管構(gòu)成互補推挽級。由于功率較大，三極管必必須加散熱器須加散熱器。 下表是一些常用的大功率對管型號與參數(shù)。下表是一些常用的大功率對管型號與參數(shù)。關(guān)于題目要求的一點小提醒不要漏掉這樣一個基本要求！不要漏掉這樣一個基本要求?。? 3）在輸入端交流短路接地，輸出端交流信號）在輸入端交流短路接地，輸出端交流信號20mVpp20mVpp； 實現(xiàn)此要求需要在電路上進行調(diào)零操作，實現(xiàn)此要求需要在電路上進行調(diào)零操作，保證靜態(tài)時保證靜態(tài)時“零輸入，零輸出零輸入，零輸出”，尤其注意分，尤其注意分立元件功放部分對發(fā)射極靜態(tài)電位

12、的調(diào)零。立元件功放部分對發(fā)射極靜態(tài)電位的調(diào)零。要點與難點分析難點難點3 3： 怎樣測量輸出功率？怎樣測量輸出功率？ 在負載一定的情況下，通過測量負載上的交在負載一定的情況下，通過測量負載上的交流電壓有效值來計算出實際輸出功率。流電壓有效值來計算出實際輸出功率。方案：方案： 可以使用可以使用分立元件搭建絕對值轉(zhuǎn)換電路分立元件搭建絕對值轉(zhuǎn)換電路，也可以，也可以通過通過AD637AD637或或AD736AD736等等均方根直流均方根直流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器來得到交流電來得到交流電壓的有效值，進而通過壓的有效值，進而通過A/DA/D轉(zhuǎn)換器得到信號的有效值，轉(zhuǎn)換器得到信號的有效值，送入單片機進行處理和顯示。送入

13、單片機進行處理和顯示。幾點說明幾點說明1.1.我們調(diào)試和搭建自己的作品時可以使用杜邦線，我們調(diào)試和搭建自己的作品時可以使用杜邦線，方便快捷。但國家級的比賽或者以后做產(chǎn)品時不方便快捷。但國家級的比賽或者以后做產(chǎn)品時不贊成選用杜邦線，建議使用贊成選用杜邦線，建議使用XH2.54XH2.54等插頭連接線，等插頭連接線，穩(wěn)定性好，安全可靠。穩(wěn)定性好，安全可靠。2.2.搭建和調(diào)試硬件時搭建和調(diào)試硬件時一級一級一級一級分開來調(diào)，各級獨立分開來調(diào)，各級獨立工作正常后再聯(lián)調(diào)，這樣調(diào)試起來思路會比較清工作正常后再聯(lián)調(diào)，這樣調(diào)試起來思路會比較清晰。晰。3.3.上電前檢查電源和地是否短路！運放正負電源上電前檢查電源和地是否短路！運放正負電源管腳是否接反！如正常，方可上電調(diào)試。管腳是否接反！如正常，方可上電調(diào)試?？偨Y(jié) 信號題始終是電子類競賽中最具分量的信號題始終是電子類競賽中最具分量的一類題型之一，也是最