OCL功率放大器的设计报告解读

课程设计报告

题目：由集成运放和晶体管组成的OCL 功率放大器的设计

学生姓名：郭二珍

学生学号： 1008220107 系别：电气学院

专业：自动化

届别： 2015年

指导教师：廖晓纬

电气信息工程学院制

2014年3月

OCL功率放大器的设计

学生：郭二珍

指导老师：廖晓纬

电气学院10级自动化

1、绪论

功率放大器(简称功放)的作用是给音频放大器的负载R L(扬声器)提供一定的输出功率。当负载一定时，希望输出的功率尽可能大，输出信号的非线性失真尽可能地小，效率尽可能高。

OCL是英文Output Capacitor Less的缩写，意为无输出电容的功率放大器。采用了两组电源供电，使用了正负电源。在输入电压不太高的情况下，也能获得较大的输出频率。省去了输出端的耦合电容，使放大器的频率特性得到扩展。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。性能优良的集成功率放大器给电子电路功放级的调试带来了极大的方便。集成功率放大电路还具有输出功率大、外围元件少、使用方便等优点，因此在收音机、电视机、扩音器、伺服放大电路中也得到了广泛的应用。

功率放大器可分为三种工作状态：(1)甲类工作状态Q点在交流负载的中点，输出的是一种没有削波失真的完整信号，但效率较低。(2)乙类工作状态Q点在交流负载线和IB=0输出特性曲线的交界处，放大器只有半波输出，存在严重的失真。 (3)甲乙类工作状态Q点在交流负载线上略高于乙类工作点处，克服了乙类互补电路产生交越失真，提高了效率。

因此，本设计可采用甲乙类互补电路。

2、内容摘要

本设计中要求设计一个由集成运放和晶体管组成的OCL功率放大器。在输入正弦波幅度Ui等于200mV，负载电阻R L等于8Ω的条件下最大输出不失真功率P o≥2W，功率放大器的频带宽度BW≥80Hz~10KHZ

功率放大电路实质上是能量转换电路，它主要要求输出功率尽可能大，效率尽可能的高，非线性失真尽可能要小，功率器件的散热较好。

本设计选用的是双电源供电的OCL互补推挽对称功放电路。

此推挽功率放大器的工作状态为甲乙类，其目的是为了减少“交越失真”。

由于两管的工作点稍高于截止点，因而均有一很小的静态工作电流I CQ。这样，便可克服管子的死区电压，使两管交替工作处的负载中电流能按正弦规律变化，从而克服了交越失真。

OCL互补推挽对称功放电路一般包括驱动级和功率输出级，前者为后者提供一定的电压幅度，后者则向负载提供足够的信号频率，以驱动负载工作。

因此，需要设计两部分，即驱动级和功率输出级。

一、设计题目及要求

1.设计题目

由集成运放和晶体管组成的OCL功率放大器的设计

2.设计要求（任务）：

用一片集成电路芯片和若干个晶体管设计一个OCL功率放大器

主要技术指标：

200mV；

（1）输入信号：有效值U

i≤

（2）最大输出功率：P

2W；

O≥

8Ω；

（3）负载电阻：R

L=

（4）通频带：BW=80 Hz -10K Hz；

二、设计思路与步骤

设计一个功率放大电路。电路主要由两大部分组成，即驱动级和输出级，驱动级如果采用分立元件，其内部电路较为复杂，它由输入级、中间级、输出级及偏置电路四部分组成，这样会加大计算的难度且不易在实际工程中使用。因此，本电路采用集成元件实现。

集成运算放大电器是一种直接耦合的多级放大电路，具有放大倍数高、输入电阻高、输出电阻低的特点，为后面的电路提供足够的电压幅度。

设计的一般步骤：首先，根据题目的分析确定目标，设计整个系统是由哪些模块组成，各个模块之间的信号传输，并设计OCL功率放大器的初步电路图。并考虑要用到元器件有哪些？

其次，对系统进行分析，根据系统功能，选择各模块所用的电路形式和其具有的功能。

然后，进行参数的选择和确定，根据系统指标的要求，确定各模块在电路中的元件参数。

最后，得出总电路图，连接各模块的电路，并进行仿真和调试，多次重复得出正确的结果。

三、 整体电路框图

OCL 互补对称功放电路一般包括驱动级和功率输出级，前者为后者提供一定的电压幅度，后者则向负载提供足够的信号频率，以驱动负载工作。

3.1.1电路整体结构框图

四、 电路图与电路分析

4.1 基本反向运算放大电路 （驱动级）

从集成运放的符号看，可以把它看作是一个双端输入、单端输出、具有高差模放大倍数和抑制温度漂移能力的放大电路。运算放大器可用下图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中5、6为两个信号输入端，2、7为正、负电源端，1为输出端。5为反相输入端，表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的相位相反；6为同相输入端，表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的相位相同.它在电路图中可构成反向比例运算电路。

4.1.1集成运放电路

输入交流信号

驱动级 运算放大器电路 负反馈电路

末级功放电路OCL 互补对称功放电路 输 出 保护

输出级 偏置电路

如上图4.1.1所示，输入电压通过R1作于运放的反向端,R3跨接在运放的输入端和反向端之间，同相端接地。

由“虚断”、“虚短”、“虚地”的概念可求出其电压增益：

v i/R1=_-v0/R3 Av=u0/ui=-R3/R1

由上图中数据计算得其放大倍数

Av=u0/ui=-R3/R1=-600/10=60倍

集成运放的仿真图如下

4.1.2集成运放的仿真电路图

1)若输入信号Ui=200mv，频率=100HZ的正弦波时

可得如下的波形图

4.1.3仿真波形图

由以上波形图可知

通道A的电压有效幅值为200mv，通道B的电压的幅值为100v 放大倍数Av=100/0.2=500倍

通过调节通道B的电压值可得到不同的电压放大倍数。

2)点击幅频按钮可以在波特图观察窗口显示幅频特性曲线

4.1.4频率特性曲线图

3)点击相频按钮可以在波特图观察窗口显示相频特性曲线

4.1.5相频特性曲线图

4.2 OCL互补对称电路

1）双电源供电;

2）输出端不加隔直电容。

C的作用：隔直通交；储存电能，代替一个电源。

4.2.1消除交越失真的多级OCL电路其仿真电路图如下

4.2.2多级放大的OCL仿真电路图

调节RP2=50%时，其波形图如下：

4.2.3仿真波形图

将上图两二极管短路，其仿真电路图如下：

4.2.4二极管短路仿真电路图其波形图为

4.2.5二极管短路仿真波形图

观察波形图可知当二极管被短路时，电路将出现较为严重的失真现象。 由此可以看出利用二极管进行偏置的互补对称电路可以克服电路的失真现象。 3） 静态分析 工作原理

三极管Q 1和Q 2为NPN 型管和PNP 型管，Q 1、Q 2组成互补输出级。

静态时，在D 3、D 4上产生的压降为Q 1、Q 2提供了一个适当的偏压，使之处于微导通状态。由于电路对称，静态时ic 1=ic 2,i L =0,v 0=0。而当有信号时，由于电路工作在甲乙类，即使v i 很小，基本上可线性地进行放大。

动态时，当信号处于正半周时，Q 2截止，Q 1承担放大任务，有电流通过负载RL 。而当信号处于负半周时，Q 1截止，Q 2承担放大任务，仍有电流流过负载RL 。这样就能实现静态时两管不导电，而有信号时Q 1、Q 2轮流导电。 静态时支路的电流0I 可由下式计算：

I 0=(VCC+VSS-2VD)/(R 4+RB+R 6)

式中，D V 为二极管的正向导通压降。

为了减少静态功耗和克服交越失真，静态时Q 1、Q 3应工作在微导通状态，即满足下列关系：

VD 1+VD 2=VB 1+VBE 2

称此状态为甲乙类状态。二极管1D 、2D 与三极管Q 1、Q 2应为同类型的半导体材料，如1D 、2D 为硅二极管2N3094和2N3096，则Q 1、Q 3应为硅三极管。RP2用于调整复合管的微导通状态，其调整范围不能太大，一般采用几百欧姆或1K 电位器，安装电路时首先应使RB 的阻值为0，在调整输出级静态工作电流或输出波形的交越失真时再逐渐增大阻值。否则会因为RP2的阻值较大而使复合管损坏。

4） 静态工作点设置

为防止输出端与负载RL 直接耦合，造成直流电流对负载的影响，输出端的静态电位必须为零。若输出端电位不为零，可能会造成负载的发热等一系列的问题，解决方法是在输出端加电容。

假设参数完全对称,静态时功放的输出端U O 对地的电位应为0，U o =0,输出点称为“交流零点”。

Q 1、Q 2工作在乙类状态，输出信号会出现失真，0I 过大会增加静态功耗使功放的效率降低。综合考虑，对于数瓦的功放，一般取0I =1mA~3mA ，以使Q 1、Q 2工作在甲乙类状态。 5) 参数的计算 电源电压的确定

(1)交流电源200mV 由示波器提供。 (2)直流电源电压的计算：

电源电压的高低，决定着输出电压的大小，而输出电压又由输出功率决定，所以指标给定了输出功率，即可求出电源电压：

因为L

om L

o o R V R V P 22

)21

(

== 所以输出电压最大值VOM=2*P O *R L 取绝对值,本次试验选取VCC=+12V,VSS=-12V 。

(3) 若取静态电流0I =1mA ，由下式： I 0=(VCC+VSS-2V D)/(R 4+R 6+RB) 得R 4+R 6+RB=(24-1.4)/1mA=22.6k

R 4=(VCC-VBE1)/I 0=(12-0.7)/1mA=11.3K

由电路的对称性取R 4=R 6=11K,RB 为1K 的电位器，用于调节电路的失真波形。

由工程经验知： R 8和R 12用于减少复合管的穿透电流，提高电路的稳定性，一般为几十欧姆到几百欧姆。R 13、R 14为负反馈电路，可以改善功放的性能，一般为几欧姆。R 7、R 9称为平衡电阻，使1T 、3T 的输出对称，一般为几十欧姆至几百欧姆。 6）元器件清单

元器件名称

元器件名称

元器件参数

数目

R1 10K 1 R3 600K 1 R4、R6 11K 2 RP2

500

1

4.2.6元件列表

用到的仿真设备有：函数信号发生器、瓦特表、示波器、波特图仪。 7）本设计电路的总体设计图如下

这是由集成运放与晶体管组成的OCL 功放电路如下图所示。其中运放为驱动级，晶体管Q1-Q4组成复合式晶体互补对称电路。

4.2.7总电路图

电阻 RL 8 1 R10 10K 1 R7、R9 100 2 R8、R12 240 2 R13、R14

1 2 电容 C2 1uF 2 C3 15uF 1 二极管 D3、D4 1N5399 2 三极管 Q1 2N3904 1 Q2 2N3096 1 Q3、Q4 2N2222

2 运放

3554AM

1

由电路图可知，本设计采用集成运放作为驱动级的OCL功率放大电路，是由输入级、驱动级、输出级及偏置电路组成。输入级由C2和R10组成，驱动级采用集成运放,输出级由双电源供电的OCL互补对称电路构成。为了克服交越失真，由二极管和电阻构成输出级的偏置电路，以使输出级工作于甲乙类状态。为了稳定工作状态和功率增益并减小失真，电路中引入反馈。该放大电路采用复合管无输出耦合电容，并采用正负两组双电源供电。

五、电路的仿真和调试

1）总仿真电路图如下

5.1.1总仿真电路图

2）当输入频率为100Hz，有效值为141mv的正弦波时

（1）双击示波器按钮可得如下波形图

5.1.2仿真波形图

（2）双击瓦特表可得输入功率与输出功率如下

5.1.3功率示数表

由瓦特表的上的示数可计算出其功率的放大倍数为

Po/Pi=(2326*1000000)/970.665=2400000

由计算可知其功率的放大倍数很大，为输入功率的2400000倍。

(3）在保证输入信号U i大小不变的条件下，改变信号发生器的频率，用交流毫伏表测出U0=0.707U om时，所对应的放大器上限截止频率f L和下限截止频率f H分别为f L=71.444HZ，f H=58.729KHZ。

点击幅频按钮可得如下幅频特性图

5.1.4幅频特曲线性图

六、PROTEL画图和PCB板制作

Protel画图的具体步骤：

（1首先进入protel99，并新建一个设计数据库Mydesign.ddb，选择Schematic.Document来创建一个电路原理图设计文件sheet1.ddb。双击sheet.ddb 进入原理图设计主界面。

（2）a元件库管理器

b放置元件

c编辑元件属性

d 元件的调整（如：移动、旋转、复制、删除）

移动：Space键：让元件作90°的旋转；

X键：元件左右对调。

Y键：元件上下对换。

e 元件连线

绘制导线、放置节点、放置电源和接地符号、放置I/O端口

f 原理图电气规则检查

g 报表的生成及原理图的输出

如果有错误要检查原理图并改正其错误。

下图是用protel画的原理图：

6.1.1原理电路图

Protel制PCB板的步骤

（1）创建PCB文件

在PCB document里创建PCB文件

（2）熟悉PCB里的一些常用的元件和相关的名词如板层，板框，飞线。铜模走线，焊点，导孔等。

（3）熟悉工具条

（4）制作PCB板

a定义边框；

b加载网络表；

c摆放元件；

d自动布线；

e修改边框；

f手动修改导线；

g 放置汉字标志等。

下图为PCB板电路图：

6.1.2 PCB板图

七、小结

通过这次OCL功率放大器的设计，我对以前所学的电路和模电知识有了更深层次的理解与巩固，并学会了使用Multisim软件，对电路进行仿真，也巩固了PROTEL软件的操作与使用，并制作出电路的PCB印制电路板图。同时通过本次电路的设计，不但巩固我们所学的知识，也使我们把理论与实践从真正意义上结合起来，增强了学习的兴趣，考验我们借助互联网络搜集、查阅相关文献资料和组织材料的综合能力。

设计一个很完整的电路，需要不断的尝试摸索，在实际操作的过程中，我结合课本和上课时老师讲述的知识，查阅资料，慢慢的开始对题目有了思路。对它的工作原理也越来越了解。虽然课程设计的过程是艰辛的，不过收获也是巨大的。它不但加深巩固了对已有的知识的理解、认识和实际操作能力，而且还加强了对计算机软件的操作能力，这对我来讲是一种锻炼，培养了我自学、查阅搜集资料的能力。

通过这次课设，我也深刻体会到了自己知识的匮乏。意识到自己所学的知识的肤浅，只是一个表面性的，理论性的，根本不能够解决在现实中存在的很多问题。因此，学习中应多与实际应用相联系。总之，通过这次设计，不仅使我对所

学过的知识有了一个新的认识。而且提高了我分析问题及动手操作的能力。使我的综合能力有了一个很大的提高。

在以后的学习和生活中，我会更加的努力去做好每一件事，我相信只要我不放弃，只要我坚持下去就会成功。

参考文献

[1] 谢自美.电子线路设计.实验.测试.武汉:华中科技大学出版社.2006

[2] 赵辉.protel99电子线路CAD.北京邮电大学出版社.2007

[3] 康华光，陈大钦，张林.电子技术基础.华中科技大学出版

指导教师评语

成绩（60%）指导教师签字：

年月

日

答辩小组评语

成绩（40%）答辩小组签字：

年月日教研室综合意见

综合成绩

教研室主任签字（盖章）：

年月日