OCL功率放大器報告(共23頁)

1、1 緒論 功率放大器(簡稱功放)的作用是給音頻放大器的負載RL(揚聲器)提供一定的輸出功率。當負載一定時，希望輸出的功率盡可能大，輸出信號的非線性失真盡可能地小，效率盡可能高。音頻放大器的目的是以要求的音量和功率水平在發(fā)聲輸出元件上重新產(chǎn)生真實、高效和低失真的輸入音頻信號。音頻頻率范圍約為20 Hz20 kHz，因此放大器必須在此頻率范圍內(nèi)具有良好的頻率響應。本設計中要求設計一個實用的音頻功率放大器。在輸入正弦波幅度=200mV，負載電阻等于8的條件下最大輸出不失真功率Po2W，功率放大器的頻帶寬度BW50Hz15KHz，在最大輸出功率下非線性失真系數(shù)r3%。驅(qū)動級應用運算放大器A741來驅(qū)動

2、互補輸出級功放電路，功率輸出級由雙電源供電的OCL互補對稱功放電路構成。為了克服交越失真，由二極管和電阻構成輸出級的偏置電路，以使輸出級工作于甲乙類狀態(tài)。為了穩(wěn)定工作狀態(tài)和功率增益并減小失真，電路中引入電壓串聯(lián)負反饋。本課程設計是一個OCL功率放大器，該放大器采用復合管無輸出耦合電容，并采用正負兩組雙電源供電。綜合了模擬電路中的許多理論知識，鞏固了用運放和三級管組成電路的應用，負反饋放大電路基本運算電路的性能與作用。 本設計報告首先對音頻功率放大器進行了簡單的介紹，選擇放大電路的設計方案。選擇好合理的方案后對電路的基本構成進行了分析，設計出電路圖并且分析該電路，按照課程設計任務書對參數(shù)進行分析

3、計算使電路的參數(shù)滿足設計要求。并且通過ORCAD軟件設計出電路圖，并對所設計電路工作原理進行分析。利用ORCAD軟件對所設計的電路進行模擬與仿真分析分別對靜態(tài)工作點，瞬態(tài)波形分析，頻率分析等，對ORCAD進行了一定的簡介。然后利用PROTEL軟件繪制該電路的PCB印制電路板圖，并且對PROTEEL軟件進行了一定的簡介。最后對電路在面包板上進行連接和到實驗室進行調(diào)試。寫出相關總結(jié)和心得體會。 2 音頻功率放大器2.1 音頻功放的性能指標 音頻功率放大器的主要作用是向負載提供功率，要求輸出功率盡可能大，效率盡可能高。非線性失真盡可能小。功放的性能指標參數(shù)如下：（一）靈敏度對放大器來說，靈敏度一般指

4、達到額定輸出功率或電壓時輸入端所加信號的電壓大小，因此也稱為輸入靈敏度；對音箱來說，靈敏度是指給音箱施加1W的輸入功率, 在喇叭正前方1米遠處能產(chǎn)生多少分貝的聲壓值。（二）阻尼系數(shù)負載阻抗與放大器輸出阻抗之比。使用負反的晶體管放大器輸出阻抗極低，僅零點幾歐姆甚至更小，所以阻尼系數(shù)可達數(shù)十到數(shù)百。（三）反饋也稱為回授，一種將輸出信號的一部分或全部回送到放大器的輸入端以改變電路放大倍數(shù)的技術。負反饋導致放大倍數(shù)減小的反饋稱為負反饋。負反饋雖然使放大倍數(shù)蒙受損失，但能夠有效地拓寬頻響，減小失真，因此應用極為廣泛。正反饋使放大倍數(shù)增大的反饋稱為正反饋。正反饋的作用與負反饋剛好相反，因此使用時應當小心謹

5、慎。（四）動態(tài)范圍信號最強的部分與最微弱部分之間的電平差.對器材來說,動態(tài)范圍表示這件器材對強弱信號的兼顧處理能力。（五）響應頻率響應簡稱頻響，衡量一件器材對高、中、低各頻段信號均勻再現(xiàn)的能力。對器材頻響的要求有兩方面，一是范圍盡量寬，即能夠重播的頻率下限盡量低，上限盡量高；二是頻率范圍內(nèi)各點的響應盡量平坦，避免出現(xiàn)過大的波動。瞬態(tài)響應器材對音樂中突發(fā)信號的跟隨能力。瞬態(tài)響應好的器材應當是信號一來就立即響應，信號一停就嘎然而止，決不拖泥帶水。 （六）信噪比(S/N)又稱為訊噪比，信號的有用成份與雜音的強弱對比，常常用分貝數(shù)表示。設備的信噪比越高表明它產(chǎn)生的雜音越少。（七）屏蔽在電子裝置或?qū)Ь€的

6、外面覆蓋易于傳導電磁波的材料，以防止外來電磁雜波對有用信號產(chǎn)生干擾的技術。（八）阻抗匹配一件器材的輸出阻抗和所連接的負載阻抗之間應滿足的某種關系,以免接上負載后對器材本身的工作狀態(tài)產(chǎn)生明顯的影響。對電子設備互連來說，例如信號源連放大器，前級連后級，只要后一級的輸入阻抗大于前一級的輸出阻抗5-10倍以上，就可認為阻抗匹配良好；對于放大器連接音箱來說，電子管機應選用與其輸出端標稱阻抗相等或接近的音箱，而晶體管放大器則無此限制，可以接任何阻抗的音箱。42.2 音頻功放的特點音頻功率放大器的特點：1、輸出功率足夠大為獲得足夠大的輸出功率， 功放管的電壓和電流變化范圍應很大。 2、效率要高功率放大器的效

7、率是指負載上得到的信號功率與電源供給的直流功率之比。 3、非線性失真要小功率放大器是在大信號狀態(tài)下工作，電壓、 電流擺動幅度很大，極易超出管子特性曲線的線性范圍而進入非線性區(qū)， 造成輸出波形的非線性失真，因此，功率放大器比小信號的電壓放大器的非線性失真問題嚴重。4 2.3 功放的分類及本設計的整體構思功率放大電路的電路形式很多，有雙電源供電的OCL互補對稱功放電路，單電源供電的OTL功放電路，BTL橋式推挽電路和變壓器耦合功放電路，等等。我選用的是雙電源供電的OCL互補推挽對稱功放電路。此推挽功率放大器的工作狀態(tài)為甲乙類。推挽功率放大器的工作狀態(tài)之所以設為甲乙類而不是乙類，其目的是為了減少“交

8、越失真”。若設置為乙類狀態(tài)，由于兩管的靜態(tài)工作點取在晶體管輸入特性曲線的截止點上，因而沒有基極偏流。這時由于管子輸入特性曲線有一段死區(qū)，而且死區(qū)附近非線性又比較嚴重，因而在有信號輸入、引起兩管交替工作時，在交替點的前后便會出現(xiàn)一段兩管電流均為零或非線性嚴重的波形；對應地，在負載上便產(chǎn)生了交越失真。 將工作狀態(tài)設置為甲乙類便可大大減少交越失真。這時，由于兩管的工作點稍高于截止點，因而均有一很小的靜態(tài)工作電流ICQ。 這樣，便可克服管子的死區(qū)電壓， 使兩管交替工作處的負載中電流能按正弦規(guī)律變化，從而克服了交越失真。 OCL互補推挽對稱功放電路一般包括驅(qū)動級和功率輸出級，前者為后者提供一定的電壓幅度

9、，后者則向負載提供足夠的信號頻率，以驅(qū)動負載工作。因此，需要設計兩部分，即驅(qū)動級和功率輸出級。由于題目是高保真音頻功率放大器的設計與制作，因此，必須保證其向負載提供功率，要求輸出功率盡可能大，效率盡可能高，非線性失真盡可能小。 整體構思：OCL互補對稱功放電路一般包括驅(qū)動級和功率輸出級，前者為后者提供一定的電壓幅度，后者則向負載提供足夠的信號頻率，以驅(qū)動負載工作。輸入音頻信號驅(qū)動級運算放大器電路負反饋電路末級功放電路OCL互補對稱功放電路輸 出保護電 路輸出級偏置電路圖2-1 設計電路框圖驅(qū)動級應用運算放大器A741來驅(qū)動互補輸出級功放電路。功率輸出級由雙電源供電的OCL互補對稱功放電路構成。

10、為了克服交越失真，由二極管和電阻構成輸出級的偏置電路，以使輸出級工作于甲乙類狀態(tài)。為了穩(wěn)定工作狀態(tài)和功率增益并減小失真，電路中引入電壓串聯(lián)負反饋。功率放大器的作用是給音響放大器的負載（一般是揚聲器）提供所需要的輸出功率。功率放大器的主要性能指標有最大輸出不失真功率、失真度、信噪比、頻率響應和效率。目前常見的電路結(jié)構有OTL型、OCL型、DC型和CL型。有全部采用分立元件晶體管組成的功率放大器；也有采用集成運算放大器和大功率晶體管構成的功率放大器；隨著集成電路的發(fā)展，全集成功率放大器應用越來越多。由于集成功率放大器使用和調(diào)試方便、體積小、重量輕、成本低、溫度穩(wěn)定性好，功耗低，電源利用率高，失真小

11、，具有過流保護、過熱保護、過壓保護及自啟動、消噪等功能，所以使用非常廣泛。13 方案分析3.1 方案的選擇 方案一：采用uA741運算放大器設計電路與四個三級管相結(jié)合組成，uA741通用高增益運算通用放大器，運放為電路的驅(qū)動級電路。早些年最常用的運放之一。應用非常廣泛, 雙列直插8腳或圓筒8腳封裝。工作電壓22V，差分電壓30V，輸入電壓18V，允許功耗500mW。四個三極管構成功率輸出級由雙電源供電的OCL互補對稱功放電路構成。為了克服交越失真，由二極管和電阻構成輸出級的偏置電路，使輸出級工作于甲乙類狀態(tài)。為了穩(wěn)定工作狀態(tài)和功率增益并減小失真，電路中引入電壓串聯(lián)負反饋。功率放大器的作用是給音

12、響放大器的負載（一般是揚聲器）提供所需要的輸出功率方案二：采用LM324通用四運算放大器，雙列直插8腳封裝，其內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中,Vi-（-）為反相輸入端,表示運放，輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。 方案選?。罕驹O計選擇方案一采用uA741和三級管就能滿足實驗要求了，這樣設計電路簡單，應用簡單。3.2 對所選方案電路中運放uA741的簡介uA741M

13、，uA741I，uA741C（單運放）是高增益運算放大器，用于軍事，工業(yè)和商業(yè)應用。這類單片硅提供輸出短路保護和閉鎖自由運作。 這些類型還具有廣泛的共同模式，差模信號范圍和低失調(diào)電壓調(diào)零能力與使用適當?shù)碾娢弧?uA741的引腳圖如下圖所示。圖3-1 uA741的引腳圖uA741M，uA741I，uA741C芯片和工作說明：1和5為偏置(調(diào)零端)，2為正向輸入端，3為反向輸入端，4接地，6為輸出，7接電源 8空腳。uA741的內(nèi)部電路如下圖所示。圖3-2 uA741的內(nèi)部電路圖4 電路設計本設計電路的總體設計圖如下，這是由集成運放與晶體管組成的OCL功放電路如圖4-1所示。其中運放為驅(qū)動級，晶體

14、管組成復合式晶體互補對稱電路。圖4-1 功放總電路圖4.1 電路工作原理 三極管、為相同類型的NPN管，所組成的復合管仍為NPN型。、為不同類型的晶體管，所組成的復合管的導電極性由第一支管決定，即為PNP型。、及二極管、所組成的支路是兩對復合管的基級偏置電路，靜態(tài)時支路的電流可由下式計算：式中，為二極管的正向?qū)▔航怠?為了減少靜態(tài)功耗和克服交越失真，靜態(tài)時、應工作在微導通狀態(tài)，即滿足下列關系：稱此狀態(tài)為甲乙類狀態(tài)。二極管、與三極管、應為同類型的半導體材料，如、為硅二極管IN5399，則、也應為硅三極管。用于調(diào)整復合管的微導通狀態(tài)，其調(diào)整范圍不能太大，一般采用幾百歐姆或1K電位器，安裝電路時首

15、先應使的阻值為0，在調(diào)整輸出級靜態(tài)工作電流或輸出波形的交越失真時再逐漸增大阻值。否則會因為的阻值較大而使復合管損壞。、用于減少復合管的穿透電流，提高電路的穩(wěn)定性，一般為幾十歐姆到幾百歐姆。、為負反饋電路，可以改善功放的性能，一般為幾歐姆。、稱為平衡電阻，使、的輸出對稱，一般為幾十歐姆至幾百歐姆。、稱為消振網(wǎng)絡，可改善負載為揚聲器時的高頻特性。因揚聲器呈感性，易引起高頻自激，此容性網(wǎng)絡并入可使等效負載呈阻性。此外，感性負載易產(chǎn)生瞬時過壓，有可能損壞晶體三極管、。、取值視揚聲器的頻率響應而定，以效果最佳為好，一般為幾十歐姆，為幾千皮法至0.1uF。4.2 靜態(tài)工作點設置 設電路參數(shù)完全對稱。靜態(tài)時

16、功放的輸出端O對地的電位應為0，輸出點稱為“交流零點”。電阻接地，一方面決定了同向放大器的輸入電阻，另一方面保證了靜態(tài)時同相端電位為0，即。由于運放的反相端經(jīng)、接交流零點，所以。靜態(tài)時。調(diào)節(jié)電位器可以改變功放的負反饋深度。電路的靜態(tài)工作點主要由決定，過小會使晶體管、工作在乙類狀態(tài)，輸出信號會出現(xiàn)交越失真，過大會增加靜態(tài)功耗使功放的效率降低。綜合考慮，對于數(shù)瓦的功放，一般取=1mA3mA，以使、工作在甲乙類狀態(tài)。下圖為用ORCAD軟件設計進行靜態(tài)工作點分析的圖。如圖4-2。圖4-2 仿真靜態(tài)工作點分析4.3 參數(shù)計算已知條件，Vi=10mV，。性能指標要求(1KHZ的正弦波)。采用本次設計的電路

17、，集成運放Ua741。功放的電壓增益 若取，則。現(xiàn)取，。如果功放級前級是音量控制電位器（設為），則取以保證功放級的輸入阻抗遠大于前級的輸出阻抗。若取靜態(tài)電流，因靜態(tài)時V，由式可得，則，取標稱值。15 電路仿真 在本節(jié)中主要介紹了掌握ORCAD操作和使用方法，利用ORCAD軟件設計出電路圖，并對所設計電路工作原理進行分析。對所設計的電路進行模擬與仿真分析。利用PROTEL軟件繪制該電路的PCB印制電路板圖。要求圖紙繪制清晰、布線合理、符合繪圖規(guī)范。5.1 ORCAD畫圖仿真安裝好ORCAD軟件，利用Capture CIS模塊對路進行繪制，并且進行各類仿真。電路在ORCAD 里的總體設計圖如圖4-

18、1所示。5.1.1 靜態(tài)工作點仿真在4-1電路圖的軟件仿真上，我使用的是Orcad Pspice ，進行了靜態(tài)工作點模擬分析，以正弦波信號源代替了音源，以一個電阻代替了喇叭。則在其中進行靜態(tài)分析時要進行如下設計，得到如圖所示。1圖5-1靜態(tài)工作點仿真分析設置 設置好上面的模塊后點確定，執(zhí)行靜態(tài)分析后可以在PSpice/View Output File在輸出文件.out中查看，也可以在Capture窗口中單擊V，I，W圖標，使電路中顯示各支路或節(jié)點的直流電壓，電流和功率等數(shù)據(jù)。圖 5-2 靜態(tài)工作點仿真分析5.1.2 瞬態(tài)分析 瞬態(tài)分析實際上是時域分析。晶體管放大電路的靜態(tài)工作點測試正確后，需要

19、測試電路的動態(tài)特性。在圖4-1電路圖的軟件仿真上，我使用的是Orcad Pspice ，進行了放大瞬態(tài)模擬分析，以正弦波信號源代替了音源，以一個電阻代替了喇叭。在其中進行靜態(tài)分析時要進行如下設計，得到如圖所示。在執(zhí)行Pspice下的run，首先要進行電氣檢查和創(chuàng)建網(wǎng)絡表格如果出錯就停止仿真，改正錯誤再仿真。1圖 5-3 仿真分析時域設置圖 5-4仿真分析時域輸入輸出電壓曲線圖 5-5 仿真分析時域輸入輸出功率曲線5.1.3 頻率分析晶體管放大電路的靜態(tài)工作點測試正確后，需要測試電路的動態(tài)特性。在4-1電路圖的軟件仿真上，我使用的是Orcad Pspice ，進行了頻率特性分析，以正弦波信號源代

20、替了音源，以一個電阻代替了喇叭。在其中進行靜態(tài)分析時要進行如下設計，得到如圖所示。1圖 5-6 仿真分析頻率特性分析設置圖 5-7 仿真分析頻率特性曲線5.2 PROTEL畫圖和PCB板制作Protel畫圖的具體步驟：（1）打開protel，建立項目，選擇Schematic.Document來創(chuàng)建一個電路原理圖設計文件sheet.ddb。雙擊sheet.ddb進入原理圖設計主界面。（2）a 熟悉工具條 b 熟悉快捷鍵的利用 c 選擇元器件，元件庫里沒有的元件自己編輯后放入原理圖界面，編輯元件是從書上學的，下面是一些自己編輯的一些新元件。d 擺放元件Space鍵：讓元件作90的旋轉(zhuǎn)；X鍵：元件左

21、右對調(diào)。Y鍵：元件上下對換。e 元件連線當預拉線的指針移動到元件的引腳或其他電器特性線時，指針的中心將會出現(xiàn)一個黑點，她提示我們在當前狀態(tài)下單擊鼠標左鍵就會形成一個有效的電氣連接。f 加入輸入/輸出端口g 更改元件屬性更改元件屬性要注意元器件的封裝號及footprint，設置元件的序號，設置元件的有效數(shù)值。h ERC電氣規(guī)則檢查如果有錯誤要檢查原理圖并改正其錯誤。下圖是用protel畫的原理圖：5-8 protel繪制的原理圖圖5-9 protel繪制的PCB板Protel制PCB板的步驟（1）創(chuàng)建PCB文件 在PCB document里創(chuàng)建PCB文件（2）熟悉PCB里的一些常用的元件和相關的

22、名詞如板層，板框，飛線。銅模走線，焊點，導孔等。（3）熟悉工具條（4）制作PCB板a 定義邊框；b 加載網(wǎng)絡表；c 擺放元件；d 自動布線；e 修改邊框；f 手動修改導線；g 放置漢字標志等。2 6 電路安裝與調(diào)試6.1 合理布局，分級裝調(diào) 音響放大器是一個小型電路系統(tǒng)，安裝前要對整機線路進行合理布局，一般按照電路的順序一級一級的布線，功放級應遠離輸入級，每一級的地線應盡量接在一起，連接盡可能短，否則很容易產(chǎn)生自激。安裝前應檢查元器件的質(zhì)量，安裝時特別要注意功放塊，三極管，二極管等主要器件的引腳和極性，不能接錯。從輸入級開始向后級安裝，也可以從功放級開始向前逐級安裝。安裝一級調(diào)試一級，安裝兩級要進行級聯(lián)調(diào)試，直到整機安裝與調(diào)試完成。6.2 電路調(diào)試 電路的調(diào)試過程一般是先分級調(diào)試，再級聯(lián)調(diào)試，最后進行整機調(diào)試與性能指標調(diào)試。本電路在調(diào)試過程中，音頻輸出效果基本符合題目要求，功放各種音頻信號聲音洪亮清晰，無噪音，失真度幾乎沒有。但在話筒信號輸入部分電路中，出現(xiàn)了放大倍數(shù)不夠，導致了功放話筒聲音小，而且有噪音。改進方法應為加大放大倍數(shù)，接上濾波電容，提高話筒前置放大能力。7 小結(jié)通過這次為期兩周的設計，我對以前所學