模電課程設計報告《OCL功率放大器設計》.doc

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一、課程設計任務及要求 1、設計目的 ①學習音頻功率放大器的設計方法 ②了解集成功率放大器內(nèi)部電路工作原理 ?根據(jù)設計要求,完成對音頻功率放大器的設計,進一步加強對模擬電子技術的了解 ④采用集成運放與晶體管原件設計OCL功率放大器 ⑤培養(yǎng)實踐技能,提高分析和解決實際問題的能力 2、設計指標 ①頻率響應:20Hz≤f≤20KHz ②輸出功率:Po > 4w ③負載電阻:RL=8Ω ④非線性失真盡量小 ⑤輸入信號:Ui <0.1v 3、設計要求 ①畫出電路原理圖 ②元器件及參數(shù)選擇 ③電路的仿真與調(diào)試 分析設計要求，明確性能指標；查閱資料、設計方案分析對比。 4、制作要求 論證并確定合理的總體設計方案，繪制結(jié)構(gòu)框圖。 5、OCL功率放大器各單元具體電路設計。總體方案分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個設計，計算電路元件參數(shù)；分析工作性能。 6、完成整體電路設計及論證。 7、編寫設計報告 寫出設計與制作的全過程，附上有關資料和圖紙，有心得體會。 二、總體方案設計 1、設計思路 功率放大器的作用是給負載Rl提供一定的輸出功率，當RI一定時，希望輸出功率盡可能大，輸出信號的非線性失真盡可能小，且效率盡可能高。 由于OCL電路采用直接耦合方式，為了保證工作穩(wěn)定，必須采用有效措施抑制零點漂移，為了獲得足夠大的輸出功率驅(qū)動負載工作，故需要有足夠高的電壓放大倍數(shù)。因此，性能良好的OCL功率放大器應由輸入級，推動級和輸出機等部分組成。 2、OCL功放各級的作用和電路結(jié)構(gòu)特征 ①輸入級：主要作用是抑制零點漂移，保證電路工作穩(wěn)定，同時 對前級（音調(diào)控制級）送來的信號作用低失真，低噪聲放大。為此，采用帶恒流源的，由復合管組成的差動放大電路，且設置的靜態(tài)偏置電流較小。 ②推動級作用是獲得足夠高的電壓放大倍數(shù)，以及為輸出級提供足夠大的驅(qū)動電流，為此，可采帶集電極有源負載的共射放大電路，其靜態(tài)偏置電流比輸入級要大。 ③輸出級的作用是給負載提供足夠大的輸出信號功率，可采用有復合管構(gòu)成的甲乙類互補對稱功放或準互補功放電路。 此外，還應考慮為穩(wěn)定靜態(tài)工作點須設置交流負反饋電路，為穩(wěn)定電壓放大倍數(shù)和改善電路性能須設置交流負反饋電路，以及過流保護電路等。電路設計時各級應設置合適的靜態(tài)工作點，在組裝完畢后須進行靜態(tài)和動態(tài)測試，在波形不失真的情況下，使輸出功率最大。動態(tài)測試時，要注意消振和接好保險絲，以防損壞元器件。 三、單元電路的選擇與設計 1、設計方案 利用三極管的電流控制作用或場效應管的電壓控制作用將電源的功率轉(zhuǎn)換為按照輸入信號變化的電流。因為聲音是不同振幅和不同頻率的波，即交流信號電流，三極管的集電極電流永遠是基極電流的β倍，β是三極管的交流放大倍數(shù)，應用這一點，若將小信號注入基極，則集電極流過的電流會等于基極電流的β倍，然后將這個信號用隔直電容隔離出來，就得到了電流(或電壓)是原先的β倍的大信號，這現(xiàn)象成為三極管的放大作用。經(jīng)過不斷的電流及電壓放大，就完成了功率放大。 2、確定工作電壓 為了達到輸出功率10W的設計要求，同時使電路安全可靠地工作，電路的最大輸出功率P應比設計指標大些，一般取P≈（1.5～2）P。即本設計中電路的最大輸出功率應按6～8W來考慮。 由于是 P=U 因此，最大輸出電壓為 U= 考慮到輸出功率管V2，V4的飽和壓降和發(fā)射極電阻R10，R11的壓降，電源電壓常取 V=（1.2—1.5）U 3、功率輸出級的設計 ①輸出功率管的選擇 輸出功率管V4，V6為同類型的NPN型大功率管，其承受的最大反向電壓U≈2V，每個管的最大集電極電流為I≈V/R14+R，每個管的最大集電極功耗為P≈0.2P。 ②復合管的選擇 V1,V3分別與V2,V4組成復合管,它們承受的最大電壓均為2 V,考慮到R7,R8的分流作用和晶體管的損耗,在估算V1,V3的集電極最大電流和最大管耗時,可近似為 I= I≈(1.1—1.5) P=P≈(1.1—1.5) ③電阻R6-R11的估算 R7,R8用來減小復合管的穿透電流,其值太小會影響復合管的穩(wěn)定性,太 大又會影響輸出功率,一般取R7=R8=(5--10)Ri2。Ri2為V2管輸入端的等效輸入電阻，其大小為Ri2=r+（1+β）R10（大功率管的 r約為10歐）輸出管V2，V4的發(fā)射極電阻R10，R11用于獲得電流負反饋作用，使電路工作更加穩(wěn)定，一般取R10=R11=（0.05—0.1）R。 由于V1，V3管的類型不同，接法也不一樣，因此兩管的輸入阻抗不一樣，會使加到V1，V3的基極輸入端的信號不對稱。為此，加R6，R9作為平衡電阻，使兩管的輸入電阻相等。 ④ 確定偏置電路 為了克服交越失真，二極管V8，V9和R7，R8共同組成輸出級的偏置電路，以使輸出級工作于甲乙類狀態(tài)。其中V8，V9選擇與復合管V4，V5相同材料的硅二極管，可獲得較好的的溫度補償作用。 ⑤方案設計電路圖 集成運放放大器與晶體管組成的功率放大器 圖一 各單元電路設計、參數(shù)計算和元器件選擇： 元器件清單：電阻： R1=4.7KΩ; R2=4.3KΩ; R3=47KΩ; R7=6.8KΩ; R8=1KΩ(電位器)： R9=10ΩK； R10=22Ω; R11=220Ω; R12=22Ω; R13=220Ω; R14=0.5Ω; R16=8Ω; 電容： C1=C2=10μF; C4=C5=220μF; C6=C7=0.01μF 四、總電路圖及其工作原理 工作原理： 1．用差分放大輸入級抑制零漂，如前所述，為了使R在靜態(tài)時沒有直流電流通過，即A點的靜態(tài)直流電位為零，所以采用正，負對稱的兩個小電源（+V，-V）。但是溫度的變化又會引起零漂，所以應采用差分放大器作為輸入級，用它來抑制A點電位因受溫度等因素影響而產(chǎn)生的零漂。 2．其他元器件的作用。V3管為激勵級，它把V1管輸出信號再進行一次放大后去推動功率輸出級的功放管工作，故該級又稱為推動級。C5是高頻負反饋電容，防止V3高頻自激。 3．R7，V8，V9為功放管提供靜態(tài)偏置，防止交越失真，把V4，V5基極直流電信分開，并利用V8，V9補償功放管的溫度特性，以穩(wěn)定功放管的基極偏流。 4．R5，C3，R6組成電壓串聯(lián)負反饋電路。C3對低頻信號短路，分壓比R6/（R5+R6）為反饋系數(shù)，R6越大，反饋量越大，反饋越強。分壓比適當則既可減小信號非線性失真，又不致造成放大器增益下降太多。 5．R16，C6稱中和電路，防止由于感性負載而引起高頻自激。 6．R4，C2是差動放大器的電源濾波電路。 7．C4稱自舉電容，用來提高功率輸出級的增益。 由圖可知，當輸入信號U1為正半周時，經(jīng)V1，V2和V3次放大并反相，u也為正半周，則V4，V6復合管導通，信號放大后經(jīng)R14，R，地，+V返回V4，V6形成回路，在負載R上有放大了的正半周電流i1通過，其方向如圖中的實線所示。同理可知負半周上的i2通過，如圖中虛線所示。這樣輪流推挽工作，在R上就獲得功率放大后的完整信號。 五、功率放大器元件明細表 元件 大小 數(shù)量(單位:個) 運算放大器 CF741 1 二極管 2CP10 2 三極管 3DG6 1 3DD01 1 3CG21 1 3DD1 1 電阻 1Ω 2 30Ω 1 240Ω 4 1KΩ 2 7KΩ 2 47KΩ 2 10KΩ 1 8KΩ 1 電容 0.1μF 1 10μF 2 六、總結(jié) 課設的過程是艱辛的，但是收獲是巨大的。首先，我們再一次的加深鞏固了對已有的知識的理解及認識；其次，我們第一次將課本知識運用到了實際設計，使得所學知識在更深的層次上得到了加深。再次，因為這次課程設計的確在某些方面存有一定難度，這對我們來講都是一種鍛煉，培養(yǎng)了我們自學、查閱搜集資料的能力；再有，計算操作過程中，我們曾經(jīng)面臨過失敗、品味過茫然，但是最終我們還是堅持下來了，這就是我們意志、耐力和新年上的勝利，在今后的日子里，它必將成為我們的寶貴財富。 參考文獻： 1.《電子設計技術》陸 坤 張義中 電子科技大學出版 1998.10 2.《現(xiàn)代音響技術設計》張飛碧 項 鈺 機械工業(yè)出版社 2004.7 3.《集成電路應用800例》陳永莆 電子工業(yè)出版社 2000.1 4.《新型集成電路及其應用實例》何希才 科技出版社 5. 《模擬電路技術》張英全 劉蕓 樊愛華 機械工業(yè)出版社 6.《模擬電子技術基礎》（第三版）童詩白 華成英 主編 高等教育出版社 系（教研室）主任簽字： 指導教師簽字： 2011年6 月 17 日