OCL功率放大器_课程设计(论文).doc
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1、本科生课程设计(论文) I 辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 模拟电子技术基础模拟电子技术基础 课程设计(论文)课程设计(论文) 题目:题目:OCL功率放大器功率放大器 本科生课程设计(论文) II 课程设计(论文)任务及评语课程设计(论文)任务及评语 院(系):电子与信息工程学院 教研室:电子信息与工 程 学 号学生姓名专业班级 课程设计 (论文) 题目 OCL 功率放大器 课程设计(论文)任务 设计参数: 1.采用全部或部分分立元件设计一种 OCL 音频功率放大器。 2.额定输出功率WP10 0 3.负载阻抗 8 L R。 4.失真度%3 5.设计放大器所需的直流稳压电源。 设计要求:
2、1 .分析设计要求,明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环 境等,广开思路,构思出各种总体方案,绘制结构框图。 2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较,以电路的先进性、结构的繁简、 成本的高低及制作的难易等方面作综合比较,并考虑器件的来源,敲定可行方案。 3 .设计各单元电路。总体方案化整为零,分解成若干子系统或单元电路,逐个设 计。 4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局,通常是按信号的流向,采用左进右出 的规律摆放各电路,并标出必要的说明。 本科生课程设计(论文) III 指导教师评语及成绩 平时: 论文质量: 答辩: 总成绩: 指导教师签字: 年 月 日 注:成绩
3、:平时 20% 论文质量 60% 答辩 20% 以百分制计算 本科生课程设计(论文) IV 摘 要 放大电路实质上都是能量转换电路。从能量控制的观点来看,功率放大电路 和电压放大电路没有本质的区别。但是,功率放大电路和电压放大电路所要完成 的任务是不同的。其中功率放大电路的要求为获得一定的不失真(或失真较小) 的输出功率,而电压放大电路的主要要求为使其输出端得到不失真的电压信号。 OCL 功率放大器是一种直接耦合的功率放大器,它具有频响宽,保真度高。 动态特性好及易于集成化等特点。OCL 是英文 Output Capacitor Less 的缩写,意 为无输出电容。采用双端电源供电,使用了正负
4、电源,在电压不太高的情况下, 也能获得比较大的输出功率,省去了输出端的耦合电容。使放大器低频特性得到 扩展。OCL 功率放大电路也是定压式输出电路,由于电路性能比较好,所以广泛 的应用在高保真扩音设备中。性能优良的集成功率放大器给电子电路的功放级的 调试带来了极大的方便。本次课程设计主要采用分立元件电路法进行设计。分别 设计直流稳压电源,前置放大电路以及功率放大电路。其中前置放大电路采用差 分式放大电路。 关键词:OCL 功率放大器;功率放大电路;无输出电容;能量转换电路 本科生课程设计(论文) V 目 录 第 1 章 OCL 功率放大器设计方案论证.1 1.1 OCL 功率放大器的应用意义1
5、 1.2 OCL 功率放大器设计的要求及参数1 1.3 设计方案论证1 1.3.1 方案一1 1.3.2 方案二 .2 1.3.3 方案的对比 .2 1.4 总体设计方案框图及分析3 第 2 章 OCL 功率放大器各单元电路设计 .5 2.1 直流稳压电源设计5 2.2 前置放大级设计6 2.3 功率放大电路设计 .7 第 3 章 OCL 功率放大器整体电路设计.9 3.1 整体电路图及工作原理9 3.2 电路参数计算.11 3.2.1 确定电源电压参数 .11 3.2.2 确定功率输出管的参数 .12 3.2.3 复合管的参数选择 .12 3.2.4 前置放大电路部分 .12 3.2.5 部
6、分重要电阻的参数选择 .13 3.3 整体电路性能分析.13 第 4 章设计总结 14 本科生课程设计(论文) VI 参考文献 15 附录 I 总体电路图16 附录 II 元器件清单.18 本科生课程设计(论文) 1 第 1 章 OCL 功率放大器设计方案论证 1.1OCL 功率放大器的应用意义 OCL(Output Capacitorless 无输出电容器)电路是采用正负两组对称电源供电, 没有输出电容器的直接耦合的单端推挽电路,负载接在两只输出管中点和电源中 点. OCL 功率放大器是在 OTL 功率放大器的基础上发展起来的一种全频带直接耦 合低功率放大器,它在高保真扩音系统中得到了广泛应
7、用。 1.2 OCL 功率放大器设计的要求及参数 本次课程设计需要采用全部或部分分立元件设计此 OCL 音频功率放大器。并 设计出此功率放大器所需的直流稳压电源。设计参数如下所示: 1. 额定输出功率WP10 0 。 2. 负载阻抗 8 L R。 3. 失真度%3 1.3 设计方案论证 1.3.1 方案一 首先做一个简单的线性电源,将 220V 交流电降压后,采用桥式整流、再用 简单的滤波电路滤波、三端集成稳压器稳压,最后再经滤波电路滤波,选取 VCC/2 为地,由于输出功率比较大,将 VCC 定值为 30V,最后做成一个电压稳定 的正负 15V 电源。采用集成运放进行电压的放大,最后采用乙类
8、互补对称电路 放大电流,然后将信号输出。 图 1-1 方案一框图 电源电路 信号输出输出级乙类互补对称放大 信号输入集成运放放大 本科生课程设计(论文) 2 1.3.2 方案二 首先做一个简单的线性电源,将 220V 交流电降压后(采用三端输出的电压 器)采用桥式整流、再用简单的滤波电路滤波、三端集成稳压器稳压,最后再经 滤波电路滤波,选取 VCC/2 为地,由于输出功率比较大,将 VCC 定值为 30V,最 后做成一个电压稳定的正负 15V 电源。然后将信号经过差分式放大电路,进行信 号放大,最后采用甲乙类互补对称电路进一步放大电流,最后得到波形稳定的输 出信号。全部采用分立原件,中间放大级
9、采用直接耦合。 图 1-2 方案二框图 1.3.3 方案的对比 相同点: 两方案的基本的设计思想相同,都是先做一个正负 15V 的电源然后基于甲乙 类双电源互补对称电路放大原理对信号进行放大。 不同点: 方案一方案二 输入级直接利用集成运放放大电压。全部采用分立元件,电路结构易 于理解分析。 比较(优点)方案二结构简单、思路易懂。 放大级电流放大:只考虑输出电流与输入 电流的关系。比如说,对于一个 UA 级的信号,就需要放大后才能 使电路进行识别,就需要做电流放 大。 电压放大:只考虑输出电压和输 入电压的关系。比如说有的信号 电压低,需要放大后才能被模数 转换电路识别,这时就只需做电 压放大
10、。 输出级乙类互补对称放大甲乙类互补对称放大 比较(优点)方案二甲乙类互补对称放大能够避免交越失真 表 1-1 两种方案对比表 综上所述,通过比较,本设计选用方案二。 电源电路 信号输出输出级甲乙类互补对称放大 信号输入差分放大 本科生课程设计(论文) 3 根据本课题要求,我们所设计的 OCL 音频功率放大器应由以下几部分组成: 直流稳压电源、前置放大电路和功率放大电路。以下逐一加以设计及论证。 电源部分: 本设计的电源通过变压器变为 20V 交流电,经整流滤波得到30 V 的直流电; 同时直流电再经三端集成稳压电路输出24 V,供应前置放大电路和功率放大器 使用。 信号放大部分: 前置放大电
11、路采用低噪声双运放,分别以相同放大的方式,作为左右通道的 信号放大。 功率放大电路由三部分组成:输入级、推动级和输出级。输入级由有两个三 极管组成的差分放大电路构成,推动级由一个三极管组成,输出级由两个三极管 对称构成。两输出管分别由正、负两组电源供电,扬声器直接接在两输出管的输 出端与地之间,同时应使本功放工作在甲乙类状态。 1.4 总体设计方案框图及分析 总体设计方案框图:(如下图 1-3 所示) 图 1-3 总体设计方案框图 分析:本设计采用市电供电,将市电 220 V 通过变压器变成24 V 的直流电, 直 流 稳 压 电 源 前 置 放 大 电 路 功 率 放 大 电 路 输 出 信
12、 号 输 入 220V 市电 放 大 初 步 -24V +24V +24V -24V 本科生课程设计(论文) 4 供前置放大器与功率放大器使用。输入信号通过前置放大电路进行初步放大,再 经过功率放大器进行进一步的放大。最后通过输出端输出,即得到所需。 本科生课程设计(论文) 5 第 2 章 OCL 功率放大器各单元电路设计 2.1 直流稳压电源设计 220 V 市电经变压器输出一组独立的 20 V 交流电,大电容滤波得到30 V 直流电,再加一个 100nF 小电容滤除电源中的高频分量。考虑到制作过程中电源 空载时的电容放电可在输出电容并上 601 大功率电阻。另外这组直流电还要传 给 LM7
13、824、LM7924 来获得24 V。 万一输入端短路,大电容放电会使稳压块由于反电流冲击而损坏,加两个二 极管可使反相电流流向输入端起到保护作用。 (如图 2-1 所示) 图 21 直流稳压电源设计 仿真如图 2-2 所示:输出电压 Vo=24V, 得到要求直流稳压电源。 本科生课程设计(论文) 6 图 2-2 输出电压 2.2 前置放大级设计 音频功率放大器的作用是将声音源输入的信号进行放大,然后驱动扬声器输 出。声音源的种类有多种,如传声器(音源) 、电唱机、录音机(放音磁头) 、CD 唱机及线路传输等,这些声音源的输出信号的电压差别很大,从零点几毫伏到几 百毫伏。一般功率放大器的输入灵
14、敏度是一定的,这些不同的声音源信号如果直 接输入到功率放大器中的话,对于输入过低的信号,功率放大器输出功率不足, 不能充分发挥功放的作用;假如输入信号的幅值过大,功率放大器的输出信号将 严重过载失真,这样将失去了音频放大的意义。所以一个实用的音频功率放大系 统必须设置前置放大器,以便使放大器适应不同的的输入信号,或放大,或衰减, 或进行阻抗变换,使其与功率放大器的输入灵敏度相匹配。另外在各种声音源中, 除了信号的幅度差别外,它们的频率特性有的也不同,如电唱机输出信号和磁带 放音的输出信号频率特性曲线呈上翘形,即低音被衰减,高音被提升。对于这样 的输入信号,在进行功率放大器之前,需要进行频率补偿
15、,使其频率特性曲线恢 复到接近平坦的状态,即加入频率均衡网络放大器。 对于音源和线路输入信号,一般只需将输入信号进行放大和衰减,不需要进 行频率均衡。前置放大器的主要功能:一是使音源的输出阻抗与前置放大器的输 入阻抗相匹配;二是使前置放大器的输出电压幅度与功率放大器的输入灵敏度相 匹配。由于音源输出信号非常微弱,一般只有 100V 毫伏左右,所以前置放大 器输入级的噪声对整个放大器的信噪比影响很大。前置放大器的输入级首先采用 低噪声电路,对于由晶体管组成的分立元件组成的前置放大器,首先要选择低噪 声的晶体管,另外还要设置合适的静态工作点。由于场效应管的噪声系数一般比 晶体管小,而且它几乎与静态
16、工作点无关,在要求高输入阻抗的前置放大器的情 况下,采用低噪声场效应管组成放大器是合理的选择。如果采用集成运算放大器 构成前置放大器,一定要选择低噪声、低漂移的集成运算放大器。对于前置放大 器的另外一要求是要有足够宽的频带,以保证音频信号进行不失真的放大。前端 放大功能是完成小信号的电压放大任务、提高信噪比,其失真度和噪声对系统的 影响最大,是应该优先考虑的指标。 本设计采用双运放 NE5532AI(如图 2-3 所示) 。实际制作中将它接成同相放 大形式,运放反相端串联 47 F 的电解电容,让交流信号全反馈,信号放大倍 数 1+Rf/R0(R0=R2 和 R8),其中Rf为反馈电阻,在其上
17、并联一个电阻抑制自激震 荡,R2,R8 为负反馈对地电阻。预计放大倍数为 20dB 左右。取Rf =20K, R0 =1K。Avf = 1+20/1=21dB。 本科生课程设计(论文) 7 图 2-3 前置放大电路设计 经过仿真测量,无法达到预期放大倍数。 2.3 功率放大电路设计 电路组成:该电路主要由差动输入放大电路、电压放大电路、自举电路、交 越失真消除电路、复合互补电路、负反馈电路、扬声器补偿电路等组成。OCL 功 率放大电路由于采用了全电路直接耦合方式,温度漂移对电路影响比较大,采用 差动输入放大电路,抑制温度升高导致的零点漂移较为理想。 另一方面,共用电阻 R4 也作为负反馈电阻,
18、通过电流负反馈作用,进一步减 少工作点的零点漂移。当信号经过差动电路输出后到后一级三极管 Q3,Q3 为共 发射级电路,共射级电路具有电压放大作用,所以信号经 Q3 电压放大后,输入 到下一级,下一级 Q4,Q5 组成对称互补放大电路,两个三极管都为共集电极电 路,共集电极电路没有电压放大作用,电压放大倍数近似为 1,但它有电流放大 作用,经 Q4,Q5 两个互补对称三级管组成的电路放大后,信号电压和电流同时 被放大,也就是功率(I)被放大,最后经功率放大三极管 Q6,Q7 输出, 驱动扬声器发声。调节电位器 R可以改变的基集的电流,从而改变前级差 动放大电路的信号输出大小,影响后面的每一级放
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