毕业设计(论文)-功率放大器设计及Multisim 软件仿真.doc
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1、武汉工业学院学士学位论文目 录摘要.1Abstract2第一章 前言3第一节 功率放大电路的发展3第二节 功率放大器简介4第二章 OCL立体声功放的设计思想6第一节 OTL,BTL,OCL功率放大电路的比较研究6第二节 OCL立体声功放机的设计10第三章 基于Multisim 2001 的仿真19第一节 Multisim概貌19第二节 用Multisim实现对元器件的管理20第三节 OCL立体声功放机的仿真21第四章 基于Multisim 2001 的研究25第一节 基于Multisim的OCL立体声功放电路的调试25第二节 OCL立体声功放电路的测试33结论37谢辞38参考文献39 武汉工业
2、学院毕业论文摘 要功率放大器是是在给定失真率条件下能产生最大功率输出以驱动负载的电路。功率放大器实质上是个能量转换器,将直流供电电源能量转换成按输入小信号的规律变化,即要求输出信号的非线性失真尽可能小,且效率尽可能高。因此采用OCL直接耦合电路方式,保证电路工作稳定,需要有足够高的电压放大倍数。一般来说,性能好的OCL功率放大器应由输入级、推动级和输出级、稳压源等部分组成。 本文先介绍功率放大器的发展,再从简单的甲类、乙类功率放大电路入手,了解其工作原理和相应的优缺点后,在其缺点上改进和补充,设计出甲乙类功率放大器,再分级去设计各部分电路: (1)、输入级:主要作用是抑制零点漂移,保证电路工作
3、稳定,同时对前级送来的信号作低失真、低噪声放大,提高输入阻抗高。为此,采用带恒流源的,由复合管组成的差动放大电路,且设置的静态偏置电流较小。 (2)、推动级(激励级)的作用是获得足够高的电压放大倍数,以及给输出级提供足够大的驱动电流,为此,可采用带集电级的共射放大电路,其具有电压电流放大能力,其静态偏置电流比输入级要大。 (3)、输出级工作在大信号情形下,其主要作用是给负载提供足够大的输出信号功率,效率尽可能的大,要求输出阻抗低,带负载能力强,可采用由复合管构成的甲乙类互补对称功放或准互补功放电路。(4)、稳压源电路:交流稳压源电路为整个电路提供直流工作电流,使整个电路工作在最佳静态工作点。在
4、完成OCL功率放大电路的设计后,本论文基于Multisim 软件仿真该电路,并在添加虚拟仪器后,进行静态和动态测试,过程中出现了波形交越失真的问题,通过分析和调试后,得到了符合要求的输出波形,然后测量了几个重要的参数,效率也达到了近似理想的78.5%。最后进一步研究了该OCL功率放大电路,达到了设计的要求。关键词:功率放大器;OCL;失真;差分放大电路AbstractPower amplifiers function is providing certain output power to load RL, when RL is certain, hoped that the nonlinea
5、r distortion of the output signal is small as far as possible, and the efficiency is high as far as possible. Because the OCL electric circuit selects the conductive coupling method, guaranteeing the circuit is working stably, therefore needs enough high voltage amplification factor. Therefore, effi
6、cient OCL power amplifier should conclude: input level, driver stage and output stage. All levels of functions and circuit structure characteristic which make up the OCL power amplifier: .Input level: The leading role is suppresses a zero drifting, the guarantee circuit work is stable, simultaneousl
7、y the signal which sends before the level makes the low distortion, also the low noise amplification. Therefore, uses the differential amplifying circuit which contains the constant current and multiple-unit tube, and sets the static bias electric current small. .The driver stage function obtains en
8、ough high voltage amplification value, as well as the output stage provides enough big drive current, for this reason, may use the amplifying circuit the which use the collection electricity level altogether ,and its static bias current ratio input level must be bigger than the input level. .The out
9、put levels leading role is providing enough big output signal power to the load, may use the armor class B supplementary symmetrical power amplifier which constitutes by the multiple-unit tube or the supplementary power amplifier electric circuit. In addition, which should also be considered is that
10、 establishing the stable static operating point directs current for the negative feedback circuit, and also establishing the exchange negative feedback electric circuit for the regulated voltage enlargement factor and the improvement electric circuit performance, as well as overflow protection circu
11、it and so on. When designing circuit, all levels of static operating point should be designed appropriately, after the formation finished, carrying on the static state and the dynamic test is necessary, in the undistorted situation, makes the output to be biggest. When doing the dynamic test, in ord
12、er to protect the primary device, pay attention to keep off the vibration and link the fuse. Key words:Power amplifier; Output capacitor less; Distortion第一章 前 言第一节 功率放大电路的发展音频功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域,几十年来,人们为之付出了不懈的努力,无论从线路技术还是元器件方面,乃至于思想认识上都取得了长足的进步。现在让我们回顾一下功率放大器的发展历程:一. 早期的晶体管功放半导体技术的进步使晶体管放大器向前迈进了一大步
13、。自从有了晶体管,人们就开始用它制造功率放大器。早期的放大器几乎全用锗管来制作,但由于锗管工艺上的一些原因,使得放大器中所用的晶体管,尤其是功放管性能指标不易做得很高,例如,共发射极截止频率的典型值为4kHz,大电流管的耐压值一般在30V-40V左右。这样,放大器的频率响应也就很狭窄,其3dB截止频率通常在10kHz左右,大大影响了音乐中高频信号的重现。再加上功放管的耐压、电流和功耗三个指标相互制约,制作较大功率的OTL或OCL放大器不易寻到三个指标都满足要求的管子,所以不得不采用变压器耦合输出。变压器的相移又使电路中加深度负反馈变得很困难,谐波失真得不到充分的抑制,因此这一时期的晶体管放大器
14、音质是很差的 1。二. 晶体管功放的发展和互调失真随着半导体工艺的逐渐成熟,大电流、高耐压的晶体管品种日益增加,越来越多的功率放大器采用了无输出变压器的OCL电路或OTL电路。最初的大功率PNP管是锗管,而NPN管是硅管,两者的特性差别非常显著,电路的对称性很差,人们更多采用的是准互补电路,通过小功率硅管与一只大功率的NPN硅管复合,得到一只极性与PNP管类似的大功率管,降低了电路因对称性差而招至的失真。到了六十年代末,大功率的PNP硅管商品化的时候,互补对称电路才得到广泛的应用。元器件的进步使晶体管功率放大器的技术指标产生了质的飞跃,在主观音质评价方面,也改变了过去人们对晶体管功放的看法,无
15、论是在厅堂扩音、电台节目制作还是家庭重放,晶体管功放都被大量地采用,首次在数量上以压倒性的优势超过了电子管功放。在商品化的晶体管扩音机中,相继出现了一些璀璨夺目的名机,如JBL的SA600,Marantz互补对称电路Model15等等。尽管电子管的拥护者仍大量存在,人们毕竟能够比较公正地看待晶体管放大器了,认为晶体管机频响宽阔,层次细腻,与电子管机比较起来有一种独特的舱力,而不是简单的谁取代谁的问题2。瞬态互调失真的大意是:在直接耦合的晶体管放大电路中,为了得到很小的谐波失真度和宽阔平坦的频率响应,通常对整体电路施加深达40dB-60dB的负反馈,倘若在加负反馈前放大器的开环失真为10,那么加
16、上40dB的负反馈后,失真即可降低至0.1,这是电子管功效难以做到的。晶体管功放由于要施加40dB-60dB的负反馈,所以对一台增益要求为26dB的放大器,它的开环增益就要达到66-86dB。三. 现代功放的整体结构现代音乐讲究各声部之间的乎衡与统一,美术以色彩搭配均衡、和谐为美,在服装设计中,常常采取看似不对称的设计,其实质也是为了取得视觉上的均衡。上面所说的都是艺术,对称和平衡给人一种安定完美的感觉。有意思的是,在功率放大器中,对称和平衡也有类似的效果。最初采用对称设计的例子要算互补对称电路了,一上一下的两只异极性晶体管作推挽输出,不仅可以免除笨重的输出变压器,而且电路的偶次谐波失真在推挽
17、的过程中被抵消了,保真度有了很大提高。稍后,人们从运算放大器的设计中得到启迪,将左右对称的差动式电路用于功率放大器的输入级,电路的稳定性和线性都得到改善,这一结构直至今天都还有人采用。如果以现代的眼光来审评,这一电路是显得过时了一点。电路的主要缺陷在于电压推动级,因为Q1承担了提供电压增益的主要任务,必然是开环失真很大,频带狭窄。除典型的OCL放大器外,单管放大的过载能力也很差,这一系列的缺点是不利于电路的动态性能的。围绕着改进电压推动级的性能,人们相继提出了多种结构,共射-共基电路就是一个典型的例子。但仍是一种不平衡的设计,这一限制来源于输入级。如果把输入级变动一下,从互补推挽的集电极输出信
18、号,那么电压推动级就可以再增加一组NPN管构成的共射一共基电路,做到推挽输出,这时电路也就非常对称平衡了,几乎达到了完美的程度,采用直接偶合的方式。 第二节 功率放大器简介一. 功率放大电路的特点功率放大电路的主要要求是获得一定的不失真(或失真程度在允许范围内)的输出功率,电路通常在大信号状态下工作,其工作特点和对电路的要求与电压放大电路有所不同,主要有: (1) 功率放大器的输出功率尽可能大,因而需要输出电压和电流的幅值足够大;(2) 功率放大电路在设计和调试过程中,必须把非线性失真限制在允许的范围内;(3) 电路末级的三极管都采用功率管,它的极限参数ICM、U(BR)CEO、PCM等应满足
19、实际电路正常工作时的要求,并要留有一定的余量。由于功率管的管耗较大,在使用时一般要加散热器,以降低结温,确保三极管安全工作;(4) 由于工作在大信号状态下,功率管消耗的功率较大,在使用时必须考虑转换效率和管耗问题。二. 功率放大电路的类型根据功率放大电路中三极管静态工作点设置的不同,可分成:甲类、乙类和甲乙类。(1) 甲类:在甲类功率放大电路中设置合适的静态工作点,就能将直流电源提供的能量按输入小信号的变化规律转换为所需要的形式供给给负载。表现出能对输入信号的整个周期进行放大,输出信号的非线性失真较小。但有较大的静态工作电流,无论有无输入信号,三极管在整个周期内都导通,导通角为360。如图1-
20、1(a)所示。功放管的管耗大,电路的能量转换效率低。在理想情况下,甲类放大电路的效率最高只能达到50%。 (2) 乙类:乙类功率放大电路的静态工作点设置在截止区,如图1-1(b)所示。乙类功率放大电路基本上无静态电流,发射接正偏且大于发射节导通电压时才导电,输出信号产生严重失真,电路的能量转换效率高,理想情形,最大效率可达78.5%,但只能对半个周期的输入信号进行放大,导通角为180。(3) 甲乙类:甲乙类功率放大电路的静态工作点设置在放大区但接近截止区,如图1-1(c)所示。 克服失真,在结构上采用两只异型管组成对称互补电路,但由于引起交越失真,所以又给电路设置合适的静态工作点,使晶体管处于
21、微导通,即工作状态介于甲类和乙类之间。静态工作点较低,导通角为180 360,既能提高电路的能量转换效率,又能克服乙类功率放大电路的失真问题,目前应用较广泛3。图1-1 功率放大器的静态工作点为进一步研究功放电路,先从比较简单又典型的乙类功率放大器入手,下一章重点介绍该类电路,一般分为:OCL,OTL,BTL三种功率放大电路。第二章 OCL功放的设计思想第一节 OTL、BTL、OCL功率放大电路的比较研究 一、OTL功率放大电路即单电源互补对称功率放大电路1.原理图如下:图2-1 互补对称式OTL功放电原理图图2-1所示是互补对称式OTL功放电原理图。采用阻容耦合方式,它具有非线性失真小,频率
22、响应宽,电路性能指标较高等优点,是目前OTL电路在各种高保真放大器应用电路中较为广泛采用的电路之一。2.工作原理:其中由晶体三极管T1是推动级,共放射级电路,对前级电压电流进行放大,T2 ,T3是一对参数对称的NPN和PNP型晶体三极管,它们组成互补推挽OTL功放电路。由于每一个管子都接成射极输出器形式,因此具有输出电阻低,负载能力强等优点,适合于作功率输出级。T1管工作于甲类状态,它的集电极电流Ic1的一部分流经电位器RW2及二极管D给T2,T3提供偏压。调节RW2,可以使T2,T3得到适合的静态电流作于甲乙类状态即处于微导通状态,以克服交越失真。静态时根据零输入零输出特性要求输出端中点A的
23、电位 UA=1/2UCC,可以通过调节RW1来实现,又由于RW1的一端接在A点,因此在电路中引入脚.直流电压并联负反馈,一方面能够稳定放大器的静态工作点,同时也改善了非线性失真。 当输入正弦交流信号Ui时,经T1放大.倒相后同时作用于T2.T3的基极,Ui的负半周使T2管导通(T3管截止),有电流通过负载RL,同时向电容C0充电,在Ui的正半周 ,T3导通(T2截止),则已充好的电容器C0起着电源的作用,通过负载RL放电,这样在RL上就得到完整的正弦波。C2和R构成自举电路,用于提高输出电压正半周的幅度,以得到大的动态范围4。 综上,该电路在静态时输出不为零,因此并不理想。二. BTL功放电路
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