晶體管課程設(shè)計-二極管穩(wěn)定工作點的OTL功放電路的設(shè)計.docx

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The basic requirement is to output power of 0.5W at least on a 8 speaker load. According to the usual power amplifier design ideas, the first step is to do voltage amplification, which generally uses the Grounded-Emitter circuit; and then we plan to use emitter follower for current amplification, so as to ensure the output signal has sufficient power, which can provide enough power for the audio sound.Grounded-Emitter circuit provides not only the voltage gain, but also the current gain; the emitter follower is only for current amplification, no voltage gain.In this design, we use ORCAD as the mapping software, and for simulation first of all, then, we will draw the PCB board of the circuit diagram with PROTEL. After the simulation is complete, the assembly and debugging of hardware would be carried on.KEY WORDS: Transistors；A power amplifier；ORCAD；PROTEL.1緒論晶體管的問世，無疑是20世紀的一項重大發(fā)明，是微電子革命的先聲。晶體管出現(xiàn)后，人們就能用一個小巧的、功耗低的電子器件，來代替體積大、功消大的電子管。晶體管的發(fā)明又為后來集成電路的降生吹響了號角。應(yīng)用的需要總是推動著技術(shù)的進步，隨著計算機的普及，人類已開始進入信息化社會，而且各領(lǐng)域幾乎都是由電子技術(shù)支撐的。計算機的關(guān)鍵技術(shù)是數(shù)字電路技術(shù)，而傳感器和執(zhí)行器等硬件的前端部分使用的則是高精度的模擬電路技術(shù)。數(shù)字電路只需按照理論就可以大體上完成設(shè)計，但模擬電路的設(shè)計則不行，必須掌握靠經(jīng)驗積累起來的眾多的專門技能。為了正確地設(shè)計一個性能優(yōu)良的高頻模擬電路和超低頻電路，必須熟悉在電路圖中不能表示出來的電子元件的配置技術(shù)和各種電路元器件的特性。數(shù)字電路主要利用晶體管的飽和工作特性和截止工作特性，而模擬電路主要利用晶體管的放大特性?，F(xiàn)在集成電路技術(shù)的發(fā)展日新月異，無論是模擬電路，還是數(shù)字電路，都能集成化。這樣，要在電路中找到單個的晶體管元件是很困難的。然而，掌握了晶體管的有關(guān)知識及其使用場合，對運算放大器的認識就會大不一樣。如此一來，即使在使用運算放大器時出了不符要求的特性，也能采取對應(yīng)的舉措。有了對基本器件的認識，才能深刻地理解器件的工作原理，不但能夠處理相應(yīng)問題，即便是設(shè)計電路時也會顯得更加得心應(yīng)手。 功率放大電路通常作為多級放大電路的輸出級。在很多電子設(shè)備中，要求放大電路的輸出級能夠帶動某種負載，例如驅(qū)動儀表，使指針偏轉(zhuǎn)；驅(qū)動揚聲器，使之發(fā)聲；或驅(qū)動自動控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機構(gòu)等?？傊?，要求放大電路有足夠大的輸出功率。這樣的放大電路統(tǒng)稱為功率放大電路。2設(shè)計內(nèi)容及要求2.1設(shè)計目的（1）自擬一個電子線路的課題，用分立元件（三極管或場效應(yīng)管）來實現(xiàn)。（2）掌握ORCAD操作和使用方法，利用ORCAD軟件設(shè)計出電路圖，并對所設(shè)計電路工作原理進行分析。也可以利用其它電路模擬仿真軟件，如Multisim。（3）利用ORCAD軟件對所設(shè)計的電路進行模擬與仿真分析。根據(jù)分析與模擬結(jié)果修改和優(yōu)化并確定電路結(jié)構(gòu) （4）利用PROTEL軟件繪制該電路的PCB印制電路板圖。 （5）將自己設(shè)計的電路制作出實物。2.2設(shè)計任務(wù)（1）以晶體管為主要器件設(shè)計一個小型音頻功率放大器；（2）電壓增益10倍（20dB）,頻率特性 20Hz20kHz；（3）揚聲器負載8，輸出功率0.5W以上；（4）用ORCAD進行仿真分析，PROTEL畫出PCB板；（5）做出實物，完成課程設(shè)計報告。3 功放電路原理3.1 功放的原理框架圖如圖3.1所示，在功率放大電路中，首先將輸入的信號進行電壓放大得到幅值相對較大的信號作為下一級放大器的輸入；再經(jīng)過能夠驅(qū)動低阻抗負載的電流緩沖放大器。這是功率放大器設(shè)計的一般性思維。 圖3.1 功放原理框圖制作電壓放大級，通?？捎霉采錁O這類有電壓增益的電路實現(xiàn)。因為主要作電壓放大，其電流較小，可以不考慮散熱問題，電壓的放大程度主要取決于放大管的負載阻抗，一般都很大。而在進行電流放大時，由于電流較大將導致晶體管發(fā)熱，若不及時處理將可能使晶體管發(fā)生熱擊穿，且溫度升高將使晶體管工作不穩(wěn)定，影響到功放的正常工作。3.2電壓放大電路本次設(shè)計采用共射極作為電壓放大電路之構(gòu)成，如圖3.2所示。圖中，在射極接了C4作旁路電容。其結(jié)果是降低此處的交流阻抗，以達到直流增益不變，提高交流增益的目的。其交流增益為：從上式可以看出三極管發(fā)射機電阻越小，集電極的交流信號放大倍數(shù)越大，圖中做直流偏置的電阻為電阻R4和R5兩電阻之和，而在交流通路中，由于電容C3的交流短路作用，發(fā)射極電阻僅為電阻R5。可知由于電容C4的作用增大了放大管的放大作用。 圖3.2 共射極放大器3.3 電流放大電路本設(shè)計采取射極跟隨器1作電流放大電路，如圖3.3 圖3.3 射極推挽電路在上圖中，若忽略三極管的發(fā)射極導通壓降，可知，當輸入信號處于上半周期時，三極管Q4導通，而三極管Q3截止，此時輸入信號經(jīng)過Q4放大輸出。當輸入信號處于下半周期中，三極管Q3導通，三極管Q4截止，輸入信號經(jīng)過Q3放大輸出。這里輸出的信號主要是電流信號，因為此放大電路為射極跟隨器，不具有電壓放大作用。輸入信號輪流由兩個三極管推挽輸出，提高了電源的利用率，增加了輸出功率。但是，由于三極管的發(fā)射極的管壓降是不可忽略的，上述電路的輸出會產(chǎn)生嚴重的交越失真?？梢酝ㄟ^一定的直流偏置是兩個三極管處于微導通狀態(tài)。有如下兩種方法解決。通過二極管提供偏置來時來時互補三極管處于微導通狀態(tài)，如圖3.4 圖3.4 二極管穩(wěn)壓推挽電路如上圖可以看出兩只二極管的壓降差不多達到1.4伏，基本滿足三極管微導通的條件，但由于電阻R11和R12的影響，還是會有一定的交越是真。當負載取出較大的電流時，集電極的電流過大將導致晶體管升溫。由于VBE的負溫度系數(shù)的存在，使得VBE隨著溫度升高而減小，而二極管的壓降一定，認為不變，使得基、射極之間的電壓高于VBE，這樣迫使基極電流增大，從而集電極電流進一步增大，如是循環(huán)，其結(jié)果是溫度不斷攀升，最終三極管將會被熱擊穿。另一種方法是通過三極管電路來使推挽管處于微導通狀態(tài)，也就是所謂的VBE擴大電路。如圖3.5所示VBE擴大電路5。 圖3.5 VBE擴大電路在兩三極管射極間加兩個電阻，以分擔一定的電壓，而且，由于這樣不能徹底解決溫度升高帶來的電壓攀升問題，故而二極管部分也考慮改造。Q3、Q4基極之間的電壓V34滿足：這里要求Q3、Q4、Q5進行熱耦合，即使它們靠近，溫度同步，則VBE也同步變化，若取VBE3=VBE4=VBE5，則R9=R10時，V34=2VBE3=2VBE4，剛好使兩管同時導通且不會因溫度的上升而偏置電壓也上升。這就保證了溫度不會進一步惡性循環(huán)地攀升，一定程度上保證了三極管的安全。在實際應(yīng)用中，不會有VBE3=VBE4=VBE5，故而，可以考慮將R10做成電位器。這樣，調(diào)節(jié)R10就可以控制Q3、Q4基極之間的電壓差,使推挽管處于微導通狀態(tài)。3.4 整體電路原理圖到此，可以得出本次設(shè)計的晶體管小型功率放大器的設(shè)計圖了，如圖3.6所示： 圖3.6 功放原理總電路圖 電路中輸入信號經(jīng)過兩級共射極放大管，電壓幅值得到很大的放大，再經(jīng)過復(fù)合管的推挽輸出，得到較大的輸出電流，進而去驅(qū)動負載揚聲器發(fā)聲。4電路仿真 本次設(shè)計采用ORCAD3電路設(shè)計仿真軟件。ORCAD是由ORCAD公司于八十年代末推出的EDA軟件，它是世界上使用最廣的EDA軟件，每天都有上百萬的電子工程師在使用它，相對于其它EDA軟件而言，它的功能也是最強大的。ORCAD集成了電原理圖繪制，印制電路板設(shè)計、模擬數(shù)字混合仿真等功能，它的電路仿真的元器件庫更達到了8500個，收入了幾乎所有的通用型電子元器件模塊。 由于一般音頻播放器的輸出信號幅值大約為50毫伏，故在仿真時取輸入信號的幅值微50毫伏。點擊仿真按鈕，可得到功放總電路圖的靜態(tài)電壓工作點如圖4.1所示，靜態(tài)電流工作點如圖4.2所示 圖4.1 功放電路靜態(tài)電壓工作點 圖4.2 功放電路靜態(tài)電流工作點 在Pspice5仿真選項中設(shè)置適當?shù)牟蓸又芷冢瑢⑻结樂胖玫较鄳?yīng)的位置可得到該點相應(yīng)的輸出波形。如圖4.3 、圖4.4、圖4.5所示分別為一級放大輸出、二級放大輸出、功放最終輸出波形 圖4.3 一級放大輸出波形圖4.4 二級放大輸出波形圖4.5 功放輸出波形5 PCB制作51 功放電路原理圖的繪制 進入PROTEL5軟件設(shè)計環(huán)境中，建立PCB制作工程，然后向工程里添加原理圖文件和PCB文件。從元件庫中找到設(shè)計所需要的元件，依次拖入到原理圖上，然后用導線將元件連接起來。在逐一檢查每一個元件的封裝是否正確，若不對，則找到相應(yīng)的正確的封裝并加載。若找不到，則要考慮自己制作相應(yīng)的封裝。繪制的原理圖如圖5.1所示。 圖5.1 功放電路圖5.2功放 PCB的繪制 編譯以上原理圖文件，若沒有錯誤，就可以將元器件加載到PCB文件編輯器中。若報錯，則根據(jù)錯誤提示找出相應(yīng)的錯誤并更改，直至沒有錯誤。然后對加載到PCB編輯器中的每個器件進行一定的位置排列。再進行自動布線。然后根據(jù)自動布線的結(jié)果，考慮如何排放每個器件，再次布線，使計算機自動布線的結(jié)果具有一定的美感，更為重要的是不能影響電路板的性能。當然，也可以適當?shù)倪M行手工布線，以彌補自動布線的不足，做出更好的電路板子。手工布線比較適合于器件比較少的電路。 如圖5.2所示，電路中的各個元件經(jīng)過排列、調(diào)整、布線后得到的PCB樣板圖。 圖5.2 布線后的PCB 如圖5.3所示，自動布線后有經(jīng)過手工調(diào)整的PCB版圖表面覆銅后的底層版圖。圖5.3 頂層覆銅后的PCB 如圖5.4所示為底層經(jīng)過覆銅后的PCB效果圖，可知，PCB的制作過程是在表面覆滿銅的絕緣板上，經(jīng)過特殊化學腐蝕液的腐蝕作用腐蝕掉一定的銅箔，留下相應(yīng)的信號傳輸線。圖5.4 底層覆銅的PCB6 組裝與調(diào)試對三極管的類型的識別，用數(shù)字萬用表的紅表筆置于中間一腳，黑色表筆測另兩腳，若然均得較小電阻，則是為NPN型；反之，若以黑表筆測中間引腳，紅表筆測其余兩腳可得較小阻值，則為PNP型三極管。另外，三極管的管腳，并非千篇一律的e、b、c規(guī)律。如的b腳就在邊上（測試所得）。若一只表筆固定一腳，另一表筆測其余兩腳皆可得較小阻值，則固定的那個腳是為b，而兩個小阻值中相對更小的對應(yīng)那個端為e端。另外由于三極管的型號不易購得，一般是代替，故而組裝效果不太理想。將元件按照電路圖在板子上放好，然后進行連接。連接完畢，用萬用表的歐姆擋檢查管腳與管腳之間是否連接良好，若連接良好，則電阻示數(shù)應(yīng)約為0。經(jīng)過測試，發(fā)現(xiàn)所買的二極管的導通壓降只有0.5伏，而用于射極跟隨器的三極管的發(fā)射極導通壓降卻有0.7伏，會有較大的交越失真，估計這也是我最終做出功放聲音又寫嘈雜的原因。我設(shè)計的功放所需用到的電源為12伏，但是，當我接上12伏電源后，大功率三極管嚴重發(fā)熱。而我把電壓調(diào)節(jié)到5伏后，電路才可以正常功做，經(jīng)查閱資料，了解到我所選用的大功率三極管耐壓值較低。在輸入端加上音頻信號，這里，用收音機的的輸出作為小型功放的輸入，可以聽到聲音從本次設(shè)計的功放的喇叭中放出來。7 心得體會雖然現(xiàn)在在一個放大電路上難以找到單一的晶體管元件，但研究晶體管的特性與用途、原理仍顯得必然。掌握了晶體管的有關(guān)知識及其使用場合，對OP放大器的認識就會大不一樣。如此一來，即使在使用OP放大器時出了不符要求的特性，也能采取對應(yīng)的舉措。有了對基本器件的認識，才能深刻地理解器件的工作原理，不但能夠處理相應(yīng)問題，即便是設(shè)計電路時也會顯得更加得心應(yīng)