OCL功率放大器的设计.doc

1、 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 2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 Le

2、ss 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3第 1章 绪论 41.1 ocl 功率放大器的意义 41.2 ocl 功率放大器的设

3、计要求及参数 .41.3 设计方案 5第 2章 OCL 功率放大器各单元电路设计 .62.1 直流稳压电源设计 72.2 前置放大级设计 72.3 功率放大电路设计 9第 3章 OCL 功率放大器整体电路设计 .103.1 整体电路图及工作原理 103.2 电路参数计算 133.2.1 确定电源电压参数 133.2.2 确定功率输出管的参数 .133.2.3 复合管的参数选择 143.2.4 前置放大电路部分 143.2.5 部分重要电阻的参数选择 153.3 整体电路性能分析 15第 4章 总结 .16参考文献 .174第 1章 绪论1.1 ocl 功率放大器的意义OCL(Output Ca

4、pacitorless）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 Po1W负载阻抗 RL=8失真度 3%；3dB 带宽 2030KHz；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

5、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2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

6、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直 流稳 压电 源前 置放 大电 路功 率放 大电 路输出信号输入220V市电 放大初步-24V+24

7、V+24V-24V3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 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 21 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

8、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4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

9、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 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

10、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 F 的电解电容，让

11、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。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5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

12、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

13、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。6Q3 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7第

14、 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

15、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：IC1IB1 UBE1IB1IC1T UR8IC8IB8 UBE8IB8IC8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

16、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8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

17、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 Pom应比设计指标大一些，一般取 Pom（1.52） Po。由于 Pom=V 2om/2RL,因此，最大输出电压为 Vom=(2POMRL)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=(1.21.5)V om。设计要求 Po10W。所以由以上公式可得Pom1520 WVom15.517.9 VCC18.626.9 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

18、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 UCEmax2VCC,每管的最大集电极电流为ICmaxVCC/Rl,每管的最大集电极功耗为 PCmax0.2P om。再选择两管时除了要注意 值尽量对称外，其极限参数应满足下列关系：U(BR)CEOUCEmax2VCCICMICmaxPCMPCmax9所以，根据以上分析可得 U(BR)CEO48 VICM3 APCM34 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

19、2VCC，在估算 Q4、Q5 的集电极最大电流和最大管耗时，可近似为ICmax(1.11.5) ICmax/PCmax(1.11.5) ICmax/所以选择 VT4、VT5 管时，其极限参数应满足U(BR)CEO2VCCICMICmaxPCMPCmax所以，根据以上分析可得 U(BR)CEO48 VICM0.330.45 APCM0.330.6 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 mVUPI5,时，输出 VUPO53.2,。

20、对于第一级放大器,要求输入信号最强时,输出不失真,即在PI70,时,输出 OM1。所以 7.15.0/1POMUA取15A。当输入信号最小时,即 PIU,=10mV 而输出不衰减时POU,1=A1 PI,=1510=150 mV。第二级放大要求输出 PO,22.53V,考虑到元器件误差的影响,取10POU,2=3V,而输入信号最小为 150 mV,则第二级放大器倍数为 POUA,21/,1=3/0.15=20 取 2A=22。因此,取 R6=1K, R7=15K, R17=22K, R 8=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

21、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=（ 510） RIQ4。 （ RIQ4为 Q4 管的等效输入电阻，其大小为RIQ4=rbeQ4+（1+ Q4） 。 ）由于 R14、R8 为平衡电阻，故 R14=R8=R7(R9) RIQ4。所以，我将电阻的参数定为 R14=R8=22、R7=R9=220。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=10、C4=100F。3.3

22、 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 10.5W17.7W，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。11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 15

23、V 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 601 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

24、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 10.517.7W，失真度约为 2.73，基本符合设计要求。12参考文献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，2005.23 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，2003.84 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