1、武汉工业学院学士学位论文目 录摘要 .1Abstract.2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 .2
2、5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武汉工业学院毕业论文1毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论
3、文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 武汉工业学院毕业论文2学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日
4、期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日武汉工业学院毕业论文3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
5、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
6、，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
7、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；差分放大电路武汉工业学院毕业论文4AbstractPower amplifiers function is providing certain output power to load RL, when RL is certain, hoped that the nonlinear distortion of the output signal is small as far as possible, and the efficiency i
8、s 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, efficient OCL power amplifier should conclude: input level, driver stage and output sta
9、ge. 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, simultaneously the signal which sends before the level makes the low distortion, also the low no
10、ise 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 enough high voltage amplification value, as well as the output stage provides enough
11、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 output levels leading role is providing enough big output signal power to the load, ma
12、y 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 establishing the stable static operating point directs current for the negative fe
13、edback 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 circuit and so on. When designing circuit, all levels of static operating point should b
14、e 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 order to protect the primary device, pay attention to keep off the vibration and link
15、the fuse. Key words：Power amplifier; Output capacitor less; Distortion武汉工业学院毕业论文5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。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
16、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
17、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
18、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。武汉工业学院毕业论文6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，那么加上 40dB 的负反馈后，失真即可降低至 0.1，这是电
19、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的过程中被抵消了，保真度有了很大提高。稍后
20、，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号，那么电压推动级就可以再增加一组
21、 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；武汉工业学院毕业论文7(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 等应满足实际
22、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-
23、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
24、管处于微导通，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。武汉工业学院毕业论文8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
25、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，T 3 提供偏压。调节 RW2，可以使 T2，T 3 得
26、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.直流电压并武汉工业学院毕业论文9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,U i 的负半周使 T2 管导通(T 3 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(T 2 截止),则已充好的电容器 C0 起着电源的作用,通
27、过负载 RL 放电,这样在 RL上就得到完整的正弦波。C 2 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1. BTL 电路的基本结构和工作原理 BTL(Bridge Transformer Less)功放电路又称作桥式平衡功放电路。它实质上是两个特性对称的 OTL 放大器(或 OCL 放大器)的对称组合，其基本简易电路如图 2-3所示。即用一组电源 Vcc(Vcc 的大小与原 OTL 电路一样)供电，把两个 OTL 放大器的功率输出管 VT1、VT2 和 VT3、VT4 组成桥式接法，四只功率
28、管分别是桥的四臂 5。图 2-2 BTL 功放电路静态时，由于 OTL 电路相互对称，因而电桥处于平衡状态，负载上无直流电流流动，则负载上的电压为 0，即无负载影响，从而可以不接输出电容而采用直接耦合。动态时，输入信号由倒相电路分离，在同一时间内，分别输出正、负半周信号去推动这两组输出电路(即 VT1、VT2 和 VT3、VT4)。设在输入信号的正半周期间，倒相电路左边输出正信号使 VT1导通，右边输出负信号使 VT4导通，从而产生输出电流 ic1流经负载，其流向为：Vcc 正极VT1 的 C 极VT1 的 E 极RLVT4 的 E 极VT4 的 C 极Vcc 负极，在 RL上得到正半周的输出信号。这时，VT1、VT4 导通；ICM1=Vcc/RL。同理，在输入信号的负半周期间，倒相电路左负右正。使 VT2、VT3 导通，信号电流 ic2流经 RL 产生负半周输出信号，其流向为：Vcc 正级VT3 的 C 极VT3 的 E 极RLVT2 的 E 极 VT2 的 C 极Vcc 负极，且 Icm2 的大小也为
