OCL功率放大器的设计

烟台南山学院

模拟电子技术课程设计题目OCL功率放大器的设计

姓名：王慧强

所在学院：工学院电气与电子工程系

所学专业：电气工程及其自动化

班级电气工程1403 学号201402013026 指导教师：王选诚

完成时间：二零一五年十二月

摘要

OCL功率放大器不仅能够放大普通信号，还能够放大一些极其微弱的信号。音频功率放大器是音响系统中不可或缺的部分，其主要任务是将音频信号放大到足以推动外接负载，如扬声器、音响等。

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，使用负电源，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器无输出电容功率放大电路

第1章绪论 (4)

1.1 ocl 功率放大器的意义..................................................................................... (4)

1.2 ocl功率放大器的设计要求及参数 (4)

1.3 设计方案 (4)

第2章 OCL功率放大器各单元电路设计 (3)

2.1 直流稳压电源设计 (3)

2.2 前置放大级设计 (3)

2.3 功率放大电路设计 (5)

第3章 OCL功率放大器整体电路设计 (7)

3.1 整体电路图及工作原理 (7)

3.2 电路参数计算 (7)

3.2.1 确定电源电压参数 (8)

3.2.2确定功率输出管的参数 (8)

3.2.3 复合管的参数选择 (9)

3.2.4 前置放大电路部分 (9)

3.2.5 部分重要电阻的参数选择 (10)

3.3 整体电路性能分析 (10)

第4章总结 (11)

参考文献 (12)

第1章绪论

1.1 ocl 功率放大器的意义

OCL(Output Capacitorless）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放大器，它在高保真扩音系统中得到了广泛应用。

1.2 ocl功率放大器的设计要求及参数

本次课程设计采用全部或部分分立元件（末级必须用分立元件）设计一OCL 音频功率放大器

额定输出功率Po≥1W

负载阻抗RL=8Ω

失真度γ≤3%；

3dB带宽20∽30KHz；

输入灵敏度不低于150mV

可使用实验室电源。

1.3 设计方案

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，中间放大级采用直接耦合。

图1-1方案一框图

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

1-3 总体设计方案框图图

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601Ω大功率电阻。另外这组直流电还要传给LM7824、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。

图2—1 直流稳压电源设计

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，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100μV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。实际制作中将它接成同相放大形式，运放反相端串联47 μF的电解电容，让交流信号全反馈，信号放大倍数1+R f/R0（R0=R2和R8）,其中R f为反馈电阻，在其上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R f =20KΩ, R0 =1KΩ。A vf = 1+20/1=21dB。坏电路而附加上去的。扬声器补偿电路由R10、C4组成，由于扬声器为感性负载，在瞬间大动态信号作用下，容易损坏扬声器内的线圈。接入R10、C4组成容性负载，补偿由于感性负载产生移相，保护扬声器。

2-3 前置放大电路设计

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，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（Ｐ＝ＵI）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R６可以改变Ｑ１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大电路，使功率放大级输出信号的功率增大或者减小，也就是使我们所听到的声音增大或者减小。

Q3和Q4基级和集电极都并联一个15pf的小电容，这个是为了防止自激而损

坏电路而附加上去的。扬声器补偿电路由R10、C4组成，由于扬声器为感性负载，在瞬间大动态信号作用下，容易损坏扬声器内的线圈。接入R10、C4组成容性负载，补偿由于感性负载产生移相，保护扬声器。

图2-4 功率放大电路设计

第3章 OCL功率放大器整体电路设计

3.1 整体电路图及工作原理

220V市电经变压器、桥式整流、滤波以及运放LM7824、LM7924可获得±24V 的直流电。用此电源给前置放大电路及功率放大器提供能量。

普通信号经由输入端输入到前置放大电路，电容滤除信号中的直流量，流入双运放NE5532AI放大。放大信号可经电阻、电容进行负反馈，通过测试后从输出端输出，形成初步放大信号。

图中Q1、Q2、R3、R2、R4 组成单端输入、单端输出的差动放大电路。该电路由于采用两个特性相同的三极管组成对称放大电路，并且发射极上共用电阻R4共同作用，达到抑制温度漂移的效果。一方面，共用发射极电阻，使两放大电路由于零点漂移产生的参数变化同时进行，零点漂移被抵消，具体过程如下：

IC1↑→IB1↑ UBE1↓→IB1↓→IC1↓

T↑→ UR8↑→

IC8↑→IB8↑ UBE8↓→IB8↓→IC8↓

移相，保护扬声器。

3.2 电路参数计算另一方面，共用电阻R4也作为负反馈电阻，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（Ｐ＝ＵI）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R６可以改变Ｑ１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大电路，使功率放大级输出信号的功率增大或者减小，也就是使我们所听到的声音增大或者减小。

Q3和Q4基级和集电极都并联一个15pf 的小电容，这个是为了防止自激而损坏电路而附加上去的。扬声器补偿电路由R10、C4组成，由于扬声器为感性负载，在瞬间大动态信号作用下，容易损坏扬声器内的线圈。接入R10、C4组成容性负载，补偿由于感性负载产生

3.2.1 确定电源电压参数

为了达到设计要求，同时使电路安全可靠地工作，电路的最大输出功率P om 应比设计指标大一些，一般取P om ≈（1.5～2）P o 。

由于P om =V 2om /2R L ,因此，最大输出电压为V om =(2P OM R L )1/2。考虑到输出功率管

Q6和Q7的饱和压降，所以电源电压常取VCC=(1.2～1.5)V om 。

设计要求P o ≧10W 。所以由以上公式可得

P om ≈15～20 W

V om ≈15.5～17.9

VCC ≈18.6～26.9 V

这里我取LM7824,LM7924这两个运算放大器，它们所输出的电压为±24V ，其他指标也均达到要求。因此它们可作为前置放大电路与功率放大器的直流稳压电源。

3.2.2确定功率输出管的参数

输出功率管的参数选择。输出功率管Q6、Q7为同类型的NPN 型大功率管，其承受的最大反向电压U CEmax ≈2VCC,每管的最大集电极电流为I Cmax ≈VCC/Rl,

每管的最大集电极功耗为P Cmax ≈0.2P om 。再选择两管时除了要注意β值尽量对

称外，其极限参数应满足下列关系：

U

(BR)CEO >U CEmax ≈2VCC

I CM >I Cmax

P CM >P Cmax

所以，根据以上分析可得 U (BR)CEO >48 V

I CM >3 A

P CM >3～4 W

这里我选择了两个2N3904的管子，它们的参数基本符合以上分析的数据。

3.2.3复合管的参数选择

Q4、Q5分别与Q6、Q7组成复合管，它们承受的最大电压均为2VCC ，在估算Q4、Q5的集电极最大电流和最大管耗时，可近似为 I Cmax ≈(1.1～1.5)I Cmax /β

P Cmax ≈(1.1～1.5)I Cmax /β

所以选择VT4、VT5管时，其极限参数应满足

U (BR)CEO >2VCC

I CM >I Cmax

P CM >P Cmax

所以，根据以上分析可得 U (BR)CEO >48 V

I CM >0.33～0.45 A

P CM >0.33～0.6 W

这里Q5我选择了2N3904的管子,Q4我选择了2N3906的管子，它们的参数基本符合以上分析的数据。

3.2.4 前置放大电路部分

各级均采用固定增益加输出衰减组成,要求当各级输出不衰减,输入mV U P P I 5,=-时，输出V U P P O 53.2,≥-。

对于第一级放大器,要求输入信号最强时,输出不失真,即在

mV U P P I 700,=-时,输出V U OM 11≤。所以7

.157.0/11/1===P OM U U A 取151=A 。 当输入信号最小时,即

P P I U -,=10mV 而输出不衰减时P P O U -,1=A1×P P I U -,=15

×10=150 mV 。 第二级放大要求输出

P P O U -,2≥2.53V,考虑到元器件误差的影响,取P P O U -,2=3V,而输入信号最小为150 mV,则第二级放大器倍数为P P O U A -=,21/P P O U -,1=3/0.15=20取2A =22。因此,取R 6=1K, R 7=15K, R 17=22K,

R18=1K。

跟随电路具有输入电阻大，输出电阻小的特点，可以做多级放大器的中间级即缓冲级。说得通俗一点，就是做阻抗变换，使前后级之间实现阻抗匹配。所以两级放大电路前加了跟随电路实现阻抗匹配。

3.2.5 部分重要电阻的参数选择

电阻的选择很重要，太小会影响管子的稳定性，太大又会影响输出功率，R7 = R9=（5～10）R IQ4。（R IQ4为Q4管的等效输入电阻，其大小为R IQ4=r beQ4+（1+βQ4）。）由于R14、R8为平衡电阻，故R14=R8=R7(R9)∥R IQ4。所以，我将电阻的参数定为R14=R8=22Ω、R7=R9=220Ω。

R10与C4串联的消振网络的参数选择：R10与C4的取值视扬声器的频率响应而定，以效果最佳为好。我取R10=10Ω、C4=100μF。

3.3 整体电路性能分析

此功放不仅能放大普通信号，还能放大一些极其微弱的信号。经过计算此功放的输出功率为10.5W～17.7W，失真度约为2.73﹪，基本符合设计要求。本次课程设计采用部分分立元件法进行电路设计，电路结构简单、思路易懂。OCL功率放大电路的方案采用甲乙类互补对称放大可以能够避免交越失真。

总结

本设计通过方案对比，选出如下方案。

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。

直流稳压电源部分：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601Ω大功率电阻。另外这组直流电还要传给LM7824、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。

前置放大电路部分：本设计采用双运放NE5532AI。实际制作中将它接成同相放大形式，运放反相端串联47 μF的电解电容，让交流信号全反馈，信号放大倍数1+R f/R0（R0=R2和R8）,其中R f为反馈电阻，在其上并联一个电阻抑制自激震荡，R2，R8为负反馈对地电阻。

功率放大部分： OCL功率放大电路采用差动输入放大电路，抑制温度升高导致的零点漂移。共用电阻R4也作为负反馈电阻，进一步减少工作点的零点漂移。Q3和Q4基级和集电极都并联一个15pf的小电容，这个是为了防止自激而损坏电路而附加上去的。接入R10、C4组成容性负载，补偿由于感性负载产生的移相，保护扬声器。此功放不仅能放大普通信号，还能放大一些极其微弱的信号。经过计算此功放的输出功率为10.5～17.7W，失真度约为2.73﹪，基本符合设计要求。

参考文献

[1]康华光主编《电子技术基础（第五版）（模拟部分）》[M]北京：高等教育出

版社，2006.

[2]高吉祥主编《电子技术基础实验与课程设计（第二版）》 [M]北京：电子工

业出版社，2005.2

[3]实用电子技术手册编委会《实用电工电子技术手册》[M]北京：机械工业出

版社，2003.8

[4]全国大学生电子设计大赛组委会《全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选》

[M]北京：北京理工大学出版社，2010.7