OCL功率放大器課程設(shè)計

1、物理與電子信息學(xué)院模擬電路課程設(shè)計成績評定表專業(yè)：電子信息工程班級：12電信本學(xué)號： 120802054姓名：鐘吉森 課題名稱設(shè)計任務(wù)與要求設(shè)計報告成績評分標準：有合理的方案設(shè)計和論證、電路參數(shù)的計算、總原理圖和清單。（0-20分）電路板制作、調(diào)試規(guī)范，有詳細制作和調(diào)試過程。（0-10分）電路板測試合理，對性能指標測試數(shù)據(jù)完整，正確；進行數(shù)據(jù)處理規(guī)范，進行了誤差計算和誤差分析。（0-15分）對課程設(shè)計進行了總結(jié)，有體會，并能提出設(shè)計的改進、建設(shè)性意見。 （0-5分）設(shè)計報告成績：電子作品成績評分標準：電路正確，能完成設(shè)計要求提出的基本功能。（0-30分）電路板焊接工藝規(guī)范，焊點均勻，布局合理。

2、（0-20分） (其中直流電源部分占20%，功能部分80%)電子作品成績：課程設(shè)計成績 總成績： 指導(dǎo)教師：2014年1月15日模擬電路課程設(shè)計報告設(shè)計課題： 功率放大電路設(shè)計 專業(yè)班級： 12電信本 學(xué)生姓名： 鐘吉森 學(xué)號: 120802054 指導(dǎo)教師： 曾祥華 設(shè)計時間：2013.12-2014.1 OCL音頻功率放大器一、設(shè)計任務(wù)與要求1用集成運算放大器和集成功放塊設(shè)計OCL功放電路2輸入信號為vi10mV, RI100K;額定輸出功率Po2W；負載阻抗RL=8；3頻率范圍f（1-3）KHz；4. 用橋式整流電容濾波集成穩(wěn)壓塊電路設(shè)計電路所需的直流電源。二、方案設(shè)計與論證（至少二個方

3、案比較） OCL（Output Capeacitorless）功放電路，顧名思義為無輸出電容功率放大器，在OCL電路中，T1和T2特性對稱，采用了雙電源供電。靜態(tài)時，T1和T2均截止，輸出電壓為零。設(shè)晶體管be間的開啟電壓可忽略不計；輸入電壓為正弦波。當Ui>O時，Tl管導(dǎo)通，T2管截止，正電源供電，電流如右圖中實線所示，電路為射極輸出形式，UoUi；當Ui<0時，T2管導(dǎo)通，T1管截止，負電源供電，電流如圖虛線所示，電路也為射極輸出形式，UoUi ；可見電路實現(xiàn)了“T，和T2交替工作，正、負電源交替供電，輸出與輸人之間雙向跟隨”。不同類型的兩只晶體管(T1和T2)交替工作、且均組

4、成射極輸出形式的電路稱為“互補”電路，兩只管子的這種交替工作方式稱為“互補”工作方式。題目目要求用用集成功放塊實現(xiàn)電路設(shè)計，集成運算放大器對輸入信號進行處理包括選頻（f（1-3）kHz）信號放大（Ui10mV）等，總體電路組成情況如下濾波電路要求13kHz且輸入電阻很大可設(shè)計一個同相輸入帶通濾波電路，放大電路可設(shè)計為同相和反相放大電路，ocl集成塊可選擇tda1521雙聲道功放塊和tda2030/tda2030a功放塊，電路選其經(jīng)典應(yīng)用電路，直流電源可設(shè)計成可調(diào)式和不可調(diào)式。方案一方案分析：Tda1521 2.5￥;LM7812 0.85￥; LM7912 1.1￥揚聲器 6*2=12￥主要芯

5、片和部件總價為16.45￥查閱數(shù)據(jù)手冊可知雙聲道tda1521OCL雙電源工作電壓1020V其經(jīng)典應(yīng)用電路為16V，芯片在±12V電源下不能發(fā)揮其最佳性能。1. 方案二圖2-2方案分析：tda2030a 1.3￥；LM317 0.68￥LM337 1.72￥揚聲器6￥主要芯片和部件總價為9.7￥tda2030a外接元件非常少。 輸出功率大，Po=16W(RL=8)。 采用超小型封裝（TO-220）,可提高組裝密度。 開機沖擊極小。 內(nèi)含各種保護電路，因此工作安全可靠。主要保護電路有：短路保護、熱保護、地線偶然開路、電源極性反接（Vsmax=12V）以及負載泄放電壓反沖等。 TDA20

6、30A能在最低±6V最高±22V的電壓下工作在±19V、8阻抗時能夠輸出16W的有效功率，THD0.1%。引腳情況 1腳是正相輸入端 2腳是反向輸入端 3腳是負電源輸入端 4腳是功率輸出端 5腳是正電源輸入端。注意事項 ：TDA2030A具有負載泄放電壓反沖保護電路，如果電源電壓峰值電壓40V的話，那么在5腳與電源之間必須插入LC濾波器，二極管限壓（5腳因為任何原因產(chǎn)生了高壓，一般是喇叭的線圈電感作用，使電壓等于電源的電壓）以保證5腳上的脈沖串維持在規(guī)定的幅度內(nèi)。：熱保護：限熱保護有以下優(yōu)點，能夠容易承受輸出的過載（甚至是長時間的），或者環(huán)境溫度超過時均起保護作用

7、。：與普通電路相比較，散熱片可以有更小的安全系數(shù)。萬一結(jié)溫超過時，也不會對器件有所損害，如果發(fā)生這種情況，Po=（當然還有Ptot）和Io就被減少。：印刷電路板設(shè)計時必須較好的考慮地線與輸出的去耦，因為這些線路有大的電流通過。：裝配時散熱片與之間不需要絕緣，引線長度應(yīng)盡可能短，焊接溫度不得超過260，12秒。：雖然TDA2030A所需的元件很少，但所選的元件必須是品質(zhì)有保障的元件TDA2030a數(shù)據(jù)表通過分析，結(jié)合設(shè)計電路性能指標、器件的性價比，本設(shè)計電路選擇方案二。三、單元電路設(shè)計與參數(shù)計算1.直流穩(wěn)壓電源電路直流電源由電源變壓器，整流電路，濾波電路，穩(wěn)壓電路四部分構(gòu)成穩(wěn)壓電源的組成框圖3-

8、1所示。 + 電 源 + 整 流 + 濾 波 + 穩(wěn) 壓 u1 u2 u3 uI U0 _ 變壓器 _ 電 路 _ 電 路 _ 電 路 圖3-1 穩(wěn)壓電源的組成框圖（1） 整流，濾波電路右圖為單相橋式整流電路各部分的電壓和電流的波形，輸出電壓的平均值得整流后波形電容濾波濾波原理如圖所示，濾波之后電壓平均值上式表明，當負載開路，即RL=時，當RLC=（35）T/2時 由于變壓器副端輸出為15V交流電，電容及二極管耐壓值要U>1.12Uo計算得耐壓值為23V。 （2）穩(wěn)壓電路(右圖)查閱LM317數(shù)據(jù)手冊其基準電壓為1.25V最小負載電流取10mA可計算出R3的最大值R3=1.25/0.01

9、=125歐姆，輸出電壓為Uo=（1+R3/R2）*1.25取R3=120歐，變阻器取5k歐，實際調(diào)節(jié)中不能將變阻器調(diào)至最大值，否則容易將穩(wěn)壓塊燒壞。（2）可調(diào)直流電源總圖2.功能部分電路 （1）帶通濾波電路將低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)就可得到帶通濾波器右圖為實用壓控電壓源二階帶通濾波電路。Up(s)為同相比例運算電路的輸入，比例系數(shù)當C1=C2=C，R1=R，R2=2R時，電路的傳遞函數(shù)令f。=1/(2RC),當f=f。時得出通帶放大倍數(shù)上下限截止頻率通頻帶題目要求（13）kHz中心頻率f。=2kHz，帶寬fb=2kHz，令品質(zhì)因數(shù)Q=1，比例系數(shù)為Auf=2，則f=f。時得到通帶增益Aup=

10、2，根據(jù)f。=1/(2RC)令C=0.1uf，得R1=R3=795.8歐姆，R2=2R1=1591.6歐姆。理論上fp1=1.2kHz，fp2=3.2（2）同相比例放大電路同相比例放大電路具有高輸入電阻低輸出電阻的特性放大倍數(shù)Au2=（1+Rf/R），題目要求功放輸出功率大于Po>2W，查閱TDA2030a數(shù)據(jù)表推算出±15V供電時，要設(shè)置的功率范圍是210.5W，其輸出電壓范圍413V，tda2030a電壓增益設(shè)置為27倍，所以功放前級輸入電壓為148481mV，題目要求第一級輸入Ui<10mV，第一級帶通濾波在中心頻率處放大兩倍，所以在同相比例放大電路前級輸入Ui2&

11、lt;20mV，為使其能響應(yīng)3mV左右的信號，同相比例放大設(shè)置為41倍，即Rf/R=40，取Rf=1.2k歐姆，R=30歐姆（3）功放部分電路這里取其典型應(yīng)用電路，電壓增益為右圖Au3=R5/R9，這里設(shè)置為20000/750=27倍，Vcc=15V，RL=8歐姆取Uces=2V，最大不失真電壓Uom=13V最大輸入有效值13/27=481.5mV旁路元件作用C5C7低頻退耦，C4C8高頻退耦，C6隔直，C2反相隔直，C3R3移相穩(wěn)定頻率，兩個二極管輸出電壓正負限幅保護，R5R9閉環(huán)增益設(shè)置，R10同相輸入偏置調(diào)節(jié)輸入阻抗。功能部分電路總圖四、總原理圖及主要元器件清單1總原理圖：2主要元件清單

12、表1 部分元件清單元件名稱型號主要參數(shù)數(shù)量備注（單價）變壓器O/P15V×2I/PAC220V5060HZ115整流二極管1N4007反向耐壓1000V6發(fā)光二極管1.2V10mA2濾波電容電解電容25V2200uf20.38穩(wěn)壓塊LM317T1.2537V可調(diào)10.68穩(wěn)壓塊LM3371.2537V11.72變阻器藍色精密5k2集成運放ua74120.68集成功放Tda2030a閉環(huán)增益26倍10.88二極管1N4001反向耐壓50V2電容電阻其他五、安裝與調(diào)試1.電路安裝電源電路和功能部分電路分開安裝焊接。電源部分正負極具對稱性，電源在長期工作的時候變壓器和穩(wěn)壓塊容易發(fā)熱，在排布

13、的時候應(yīng)考慮散熱問題，穩(wěn)壓塊應(yīng)加散熱片，元件間隔盡量不要排布的太緊密，但是歷史上電子產(chǎn)品越做越小越來越精細，實際應(yīng)用中人們也會考慮便攜性。焊接時應(yīng)合理布局，太疏體積大，太密元件可能相互影響，焊接時特別注意穩(wěn)壓塊三個腳輸317：1腳調(diào)節(jié)，2腳輸出，3腳輸入；337:1腳調(diào)節(jié)，2腳輸入，3腳輸出，注意濾波電容極性接反容易爆炸，一般電解電容側(cè)身白條標有負號那個腳即是負極，發(fā)光二級管長腳為正。右圖為實物圖，電源不長期使用因此圖中沒安裝散熱片功能部分功能部分有三級電路分別是濾波電路、放大電路、功放電路。Tda2030a發(fā)熱比較嚴重必須加散熱片（上交作品已加散熱片），考慮到電路要求一些特殊阻值的電阻，在實

14、際焊接時可能要串并聯(lián)拼湊達到相近阻值，這對焊接在小板子上增加了挑戰(zhàn)，一開始我把三級電路都串聯(lián)起來了，應(yīng)老師要求對每一級電路都要測試并留出夾子。我在原來的基礎(chǔ)上引出夾子。本來想三級電路電源線合并，考慮到功放供電可以在一定電壓范圍，因此功放部分單獨引出電源線，從各級電路來看，接地的比較多比較復(fù)雜，合并在一起可能對接地電阻會有影響，從而影響單級測試數(shù)據(jù)。圖中電位器因為自己想播放音樂，手機耳機音頻輸出電壓比較大喇叭功率只有3W而加上去的，測試時不經(jīng)過電位器。2.電路調(diào)試（1）靜態(tài)調(diào)試 電源第一次調(diào)試時即表現(xiàn)良好，電壓精確可調(diào)，第二天調(diào)試時數(shù)據(jù)突然增大，在1920V范圍內(nèi)，負電源正常，正電源指示燈很快熄

15、滅隨后120歐姆的電阻燒壞，重重檢測之后發(fā)現(xiàn)是穩(wěn)壓塊壞了，換過新的穩(wěn)壓塊數(shù)據(jù)果然正常。功放部分在無輸入信號時輸出檢測不到電流。說明靜態(tài)工作良好，無噪音干擾。（2）動態(tài)調(diào)試功能部分安老師要求分級調(diào)試，第一級濾波就出現(xiàn)問題，在f=2kHz時電壓增益理論上是輸入電壓的兩倍，實際上是減小了。初步認為是聯(lián)級相互影響，分開之后依然減小，第二級電路分開單獨調(diào)試數(shù)據(jù)正常放大倍數(shù)在41倍多一點。第三級電路增益正常在27倍左右。之后的調(diào)試都卡在了第一級電路上，不斷的檢測中發(fā)現(xiàn)兩個低級錯誤，電路兩根線接錯。接好之后一切正常六、性能測試與分析（要圍繞設(shè)計要求中的各項指標進行）（無詳細測試過程和數(shù)據(jù)處理、誤差計算與分析

16、，設(shè)計報告視為不合格）1.直流電源測試與分析（1）測試步驟先調(diào)好±15V再測量電網(wǎng)電壓，變壓器副端電壓，穩(wěn)壓塊輸入電壓，穩(wěn)壓塊輸出電壓。（2）測試數(shù)據(jù)項目數(shù)據(jù)穩(wěn)壓塊電網(wǎng)電壓（V）變壓器副端（V）穩(wěn)壓塊輸入（V）穩(wěn)壓塊輸出（V）LM31722616.020.5715.0LM33722616.120.5715.0（3）數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)1.2520V正負可調(diào)（4）誤差計算無（5）結(jié)論分析（包含誤差分析）1.2520V可調(diào)2.功能電路測試與分析（1）測試步驟第一級帶通濾波，第二級放大電路，第三級功放電路（2） 測試數(shù)據(jù)（含處理）帶通濾波數(shù)據(jù)f。=2kHz，Aup=2，Q=1頻率f（kHz）0.1

17、0.20.50.70.911.31.51.71.922.12.22.3Ui(mV)10101010 10.110.110.210.210.310.210.210.210.210.2Uo(mV)0.942.045.307.409.4310.8313.9415.7416.9917.5917.6617.6017.2516.94Au0.0940.2040.530.740.931.071.361.541.641.721.731.721.691.6620lg(Au)（mV）-20-13-5-2-0.60.582.73.74.24.74.84.74.64.4頻率f（kHz）2.733.13.244.14.2

18、4.54.7510204045Ui(mV)9.99.99.99,859.79.729.739.689.669.759.689.639.579.57Uo(mV)15.7114.4314.0513.6810.9810.7410.989.759.358,784.442.311.191.06Au1.581.461.421.391.131.101.0710.960.90.450.160.120.1120lg(Au)（mV）43.232.810.80.60-0.2-0.9-6.9-15.9-18-19數(shù)據(jù)處理及波形圖分析Ui=10mV f=1kHz由波形可知在f=1kHz時Uo大致等于Ui，符合品質(zhì)因數(shù)Q

19、=1因此其下限截止頻率小于1kHz 理論下限截止頻率fp1=1.2kHzUi=10.2mV f=2kHz通道A為輸入通道B為輸出Uo1.73Ui，Aup=Auf=1.73，輸出輸入信號相位一致因此可得出中心頻率f。=2kHzUi=9.9mV f=3kHz理論設(shè)置f=3.2kHz上限截止頻率Ui=9.7mV f=4.5kHz通道A為輸入通道B為輸出UoUi，Q=1下限截止頻率為4.5kHz根據(jù)測試數(shù)據(jù)畫出波特圖（5）結(jié)論分析（包含誤差分析）題目要求濾波（13）kHz理論設(shè)置的帶通濾波器的帶寬是2kHz中心頻率處電壓增益Aup=2下限截止頻率fp1=1.2kHz上限截止頻率為3.2kHz，實際測量

20、帶寬為3.5kHz上限截止頻率為4.5kHz下限截止頻率為1kHz，因此產(chǎn)生了比較大的誤差。誤差出現(xiàn)原因可能是電阻多為拼湊不精確造成的同相比例放大電路數(shù)據(jù)表（含處理）Ui（mV）4.34101520Ui（mV）5.0610.0815.2620Uo（mV）180408616823Us（mV）5.3010.2715.3620.13Au41.540.841.141.1Ri（k）421106130523076數(shù)據(jù)處理放大倍數(shù)平均值A(chǔ)u=41.125倍輸入電阻平均值Ri=1902k輸入電阻計算公式Ri=RUi/(Us-Ui)，R為定值電阻取20K歐姆結(jié)論及誤差分析放大倍數(shù)平均值A(chǔ)u=41.125倍，符合

21、設(shè)計值理論值為41倍可能原因是反相接地端電阻設(shè)置為30歐姆，R6=Rf2/R4=29.2歐姆，也可能是電阻本身存在誤差。輸入電阻平均值Ri=1902k歐姆符合題目輸入電阻大于100k的要求。 功放級電路數(shù)據(jù)測試（含處理）Ui（mV）150.9200.4250301.2Uo（V）4.105.486.848.24Au27.227.327.3627.35結(jié)論和誤差分析Au平均值27.30理論值為20k/750=26.6倍可能是電阻不精確導(dǎo)致總級聯(lián)測試 總聯(lián)級測試，總聯(lián)級測試理論上放大倍數(shù)為2*41*27=2214倍，假設(shè)輸入信號為3mV輸出應(yīng)為6.6V。實測為也應(yīng)該是Au1*Au2*Au3=1.7*

22、41.1*27=1942.3倍，實測輸入3mV總輸出為9V，存在了比較大的誤差，誤差分析初步斷定是毫伏表出了問題，毫伏表沒有輸入信號時指針不歸0，我在讀數(shù)的時候指針不斷跳動，老師又不允許換儀器，本實驗桌毫伏表被另一個同學(xué)搬去在測量，而我從那同學(xué)桌上搬過來的估計是她試了沒用的毫伏表。七、結(jié)論1，電源設(shè)計基本實現(xiàn)了要求；2，第一級帶通濾波器選頻范圍13kHz實測為14.5kHz下限截止頻率符合要求上限截止頻率存在誤差，f=f。時理論設(shè)置為Aup=2，實測為1.73倍；3，第二級放大電路，放大倍數(shù)設(shè)置為41倍，實測為41.125倍，輸入電阻1029k歐姆，基本符合設(shè)置要求； 4，第三級功放電路設(shè)置為27倍增益，實測27.30倍，基本符合設(shè)置要求；5總聯(lián)級，總聯(lián)級測試時是在老師陪同下測試的，之前沒測試過，總聯(lián)級測試理論上放大倍數(shù)為2*41*27=2214倍，假設(shè)輸入信號為3mV輸出應(yīng)為6.6V。實測為9V存在了比較大的誤差，老師判為沒有達到要求?？偨Y(jié);本次課程設(shè)計我認為最有成就感的