模电功率放大器课程设计报告

课程设计报告

题    目：____功率放大器    _

专    业：___电子信息工程____

年    级：______09级_________

学    号：__          ________

学生姓名：____      __________

联系电话：___            _____

指导老师：____          ______

完成日期： 2011年11月21日

OCL功率放大器

摘要

    OCL功率放大器即为无输出电容功率放大器。采用正负双电源供电，在电压不太高的情况下，也能获得比较大的输出功率，省去了输出端的耦合电容。是放大器的的低频特性得到扩展。OCL功放电路也是定压式输出电路，其电路由于性能比较好，所以广泛的应用在高保真扩音器设备中。

关键字：电源电路、功率放大器、低频特性、OCL功放

Abstract

      OCL power amplifier for OCL power amplifier. The use of positive and negative double power supply, the voltage is too high, can get a larger output power, eliminating the output coupling capacitor. The low frequency characteristics of expanded is amplifier. OCL power amplifier circuit and constant pressure output circuit, the circuit as a result of good performance, so widely used in high fidelity loudspeaker device.

Key Words: power supply circuit, power amplifier, frequency characteristics, OCL power amplifier

1 设计要求及方案选择

1.1设计要求

    设计一个功率放大器，要求如下：

1）最大不失真输出功率Po>5W（Rl=8Ω）

2）输入为标准音频线路输入Ri>40k

3）放大器的效率优于50%。

4）放大器的频响特性：1Hz—100Kz。

5）设计并制作一个双路（±12）线性直流稳压电源

1.2方案选择

 功率放大电路市一种能量转换电路，要求在失真许可的范围内，高效的为负载提供尽可能大的功率，功放管的工作电流、电压的变化范围很大，那么三极管常常是工作在大信号状态下或接近极限运用状态，有甲类、乙类、甲乙类等各种工作方式。为了提高效率，将放大电路做成推挽式电路，功放管的工作状态设置为乙类，以减小交越失真。常见的音频功放电路在连接上主要有双电源互补推挽功率放大器OCL（无输出电容）、单电源互补推挽功率放大器OTL（无输出变压器）、平衡（桥式）无变压器功率放大器BTL等。由于功率管承受大电流、高电压，因此功放管的保护问题和散热问题必须重视。功率放大器可以由分立元件组成，也可由集成实现。本设计主要设计一个OCL功率放大器，来满足设计要求。

2  硬件电路的理论分析与设计

2.1音制电路及前置放大的分析及设计

图一 音制及前置放大电路总图

2.1.1音制电路

 音制器的功能是根据需要控制、调节放大器的频率响应，达到优化音质的目的。本设计采用负反馈集成运放电路，根据指标的转折频率要求，选择元件参数，如图一所示。

2.1.1.1音制级在低频状态

 当音制器工作在低频状态时，C6视为开路，RW4跨接在音频放大器输入输出及之间，对控制起不了作用。当电位器的抽头在最左端时低频提升最大如图二所示。

 低频频率响应函数为：

即Ao=R2/R1=1,R2=R1,由条件得

图二 音制级在低频状态

2.1.1.2音制级在高频状态

     图三 音制在高频状态               图四 星形接法装换成三角接法

如图三所示，电容C4、C5视为短路，为便于计算将星型接法变为三角形接法，

当RW4电位器中间抽头位于最左端时，高频得到最大提升，Rc跨界在输入输出级之间，对控制不起作用，如图四所示。

 高频提升电路频率响应函数为：

2.1.2前置放大级

图五 前置放大器

前置放大器是指置于信源与放大器级之间的电路或电子设备，例如置于光盘播放机与高级音响系统功率放大器之间的音频前置放大器。前置放大器是专为接收来自信源的微弱电压信号而设计的，已接收的信号先以较小的增益放大，有时甚至在传送到功率放大器级之前便先行加以调节或修正，如音频前置放大器可先将信号加以均衡及进行音制。本设计考虑到噪声、频率响应的要求，选择用低噪声的集成运放NE5532，电路设计如图五所示，采用反相输入电压放大倍数为 Uout=Uin*R22/R23=3Uin.R22为反馈电阻，C3为耦合电容。

2.2功率放大电路的分析及设计

 本级的输入级采用差分放大电路，由镜像恒流源供电。具有抑制零点漂移、稳定静态工作点、输入阻抗高的优点；中间级采用开启式公射放大电路和恒压偏置，具有推动激励作用，消除交越失真；输出级采用准互补乙类OCL放大电路，具有较好的的电路输出对称性和功率放大作用。电路如图六所示。

图六 OCL功率放大器

确定电源电压VCC，设功率管饱和压降Vces=2V，R11=0.5Ω.由最大输出功率:Pmax=Uo²／RL, 

Uo²=Pmax*RL, 即Uo==6.32V。又由电压输出有效值 Uo=（Vcc-Vces）/*RL/(R11+RL),即VCC=9.50V，取电源电压VCC=±12V；最大不失真输出电压峰值：Uom=(Vcc-Vceo)*RL/(R11+RL)=9.41V

负载电流最大值：Icmax=Uom/RL=1.2A.输入阻抗：Ri=Ui/Ii,用输入幅值为150mV的正弦波如图七所示，测得Ii=3.3uA,则Ri=45.5K，输出阻抗Ro=(Uo′/Uo-1)/RL，空载时Uo′=8.50V，RL=8Ω负载时，Uo=7.0V，则Ro=2Ω。

图七 输入信号源的幅值和输入电流

2.2.1恒流源式差分放大电路设计

 如图八所示，两个输入端分别输入大小、相位相同的信号时，输出为零，从而克服零点漂移。差分放大器将两个输入端的差以一固定增益放大。很多系统在差分放大器的一个输入端加输入信号，另一个输入端加反馈信号，从而实现反馈调节作用。在三级管输出特性的恒流区，当集电极电压有一个较大的变化量ΔUCE时，集电极电流ic 基本不变。此时三级管c、e之间的等效电阻rce=ΔuCE/Δic的值很大。用恒流源三级管充当一个阻值很大的长尾电阻Re，既可在不用大电阻的条件下有效的抑制零漂，又适合集成电路制造供工艺代替大电阻的特点，因此，这种方法在集成运放中被广泛采用。

图八 恒流源式差分放大电路

2.3 正负12V线性直流稳压电源

原理框图如图九所示：

图九 线性直流稳压电源原理框图

考虑到功率放大器的负载等要求电源采用集成稳压芯片LM7812和LM7912，原理如图十所示

图十 正负12V线性直流稳压电源原理图

3 系统测试

3.1调试所用的基本仪器清单

双踪示波器、万用表，信号发生器等。

3.2调试结果

 为了良好的完成调式工作，需要对实验仪器进行熟悉。在调式过程中，R12的调节对电路的电流产生很大的影响。因此，第一步调节R12，使输出的电流在一定的范围内，这样可以较好的使各级三极管在正常状态下工作。因此第一步调节R12，确保在输出级前一级放大支路上的电流在4mA~5mA左右，第二步调节R14、R12对电路进行凋零，即在电路输入为零时，其输出也为零；这样可以减小系统本身噪声对信号的影响。第三步调节放大增益最主要的增益调节是反馈电阻R13，调节反馈电阻及音源输入电位器观察输出信号是否失真，在最大不失真的情况下测得：

输出功率：Po=6.125W>5w(RL=8Ω)

输入阻抗为：Ri=Ui/Ii=0.15/3.3*10∧-6=45k.

3.3　测试结果分析

 本设计通过分析论证，所做成的作品满足设计的要求，但由于实验室解乏一些仪器，只能用仿真的数据进行有关计算，这样仿真出来的理想数据跟实际的数据会有所误差，但最终经过调式最后所得到的数据以理论计算的误差非常小。如图九所示仿真图

图九 输入信号与输出信号

4 总结

本次设计起初遇到很多问题，首先是电路设计时经验不足，没放有测试点，造成进行数据采集是非常的不方便，其次是理论知识不够扎实，对一些基本的理论分析不熟悉，浪费很多时间。不过经过这次设计让我对模电的知识掌握有了更进一步的提高，掌握了分析模拟电子技术的一些技巧和方法，相信在以后的更多的课程设计中会有更大的进步.，同时也非常感谢老师和同学们的协作与指导！让我顺利的完成本次设计。

参考文献

[1]  杨素行.模拟电子技术.高等教育出版社.2010.

[2]  铃木雅臣.晶体管电路设计. 科学出版社.2004.

[3]  杨欣，王玉凤，刘湘黔.电子设计从零开始.清华大学出版社.2005.

附件：

原理总图：

仿真图：