OCL音频功率放大器设计实验报告.docx
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OCL音频功率放大器设计实验报告
OCL音频功率放大器设计调试报告
班级11级电子
（2）班
学号7
姓名芮守婷
2013年6月5日
一、实验目的
1、通过亲自实践，用分立元件搭接焊接成一个低频功放，在使其正常工作的基础上通过调试以达到优化的目的；
2、通过此次试验验证模拟电子技术的有关理论，进一步巩固自身的基本知识和基础理论。
3、通过实验过程培养综合运用所学知识解决实际问题的工作能力；
4、同时提高提高团队意识，加强协作精神。
二、指标要求
1、输出功率：
≧20W
2、负载：
8欧
3、电压增益：
40dB
4、带宽：
10HZ~40KHZ
三、功放的分类及简单介绍
功率放大器（简称功放）的作用是给音频放大器的负载RL（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。
音频放大器的目的是以要求的音量和功率水平在发声输出元件上重新产生真实、高效和低失真的输入音频信号。
音频频率范围约为20Hz～20kHz，因此放大器必须在此频率范围内具有良好的频率响应。
本设计中要求设计一个实用的音频功率放大器。
功率放大电路的电路形式很多，有双电源供电的OCL互补对称功放电路，单电源供电的OTL功放电路，BTL桥式推挽电路和变压器耦合功放电路，等等。
我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。
推挽功率放大器的工作状态之所以设为甲乙类而不是乙类，其目的是为了减少“交越失真”。
若设置为乙类状态，由于两管的静态工作点取在晶体管输入特性曲线的截止点上，因而没有基极偏流。
这时由于管子输入特性曲线有一段死区，而且死区附近非线性又比较严重，因而在有信号输入、引起两管交替工作时，在交替点的前后便会出现一段两管电流均为零或非线性严重的波形；对应地，在负载上便产生了交越失真。
将工作状态设置为甲乙类便可大大减少交越失真。
这时，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ICQ。
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。
作为一个音频功放而言它有哪些特点了？
1、输出功率足够大——为获得足够大的输出功率，功放管的电压和电流变化范围应很大。
2、效率要高——功率放大器的效率是指负载上得到的信号功率与电源供给的直流功率之比。
3、非线性失真要小——功率放大器是在大信号状态下工作，电压、电流摆动幅度很大，极易超出管子特性曲线的线性范围而进入非线性区，造成输出波形的非线性失真，因此，功率放大器比小信号的电压放大器的非线性失真问题严重。
其性能指标又是怎样了？
音频功率放大器的主要作用是向负载提供功率，要求输出功率尽可能大，效率尽可能高。
非线性失真尽可能小。
功放的性能指标参数如下：
1.灵敏度
对放大器来说，灵敏度一般指达到额定输出功率或电压时输入端所加信号的电压大小，因此也称为输入灵敏度；对音箱来说，灵敏度是指给音箱施加1W的输入功率,在喇叭正前方1米远处能产生多少分贝的声压值。
2.阻尼系数
负载阻抗与放大器输出阻抗之比。
使用负反的晶体管放大器输出阻抗极低，仅零点几欧姆甚至更小，所以阻尼系数可达数十到数百。
3.反馈
也称为回授，一种将输出信号的一部分或全部回送到放大器的输入端以改变电路放大倍数的技术。
负反馈
导致放大倍数减小的反馈称为负反馈。
负反馈虽然使放大倍数蒙受损失，但能够有效地拓宽频响，减小失真，因此应用极为广泛。
正反馈
使放大倍数增大的反馈称为正反馈。
正反馈的作用与负反馈刚好相反，因此使用时应当小心谨慎。
4.动态范围
信号最强的部分与最微弱部分之间的电平差.对器材来说,动态范围表示这件器材对强弱信号的兼顾处理能力。
5.响应
频率响应
简称频响，衡量一件器材对高、中、低各频段信号均匀再现的能力。
对器材频响的要求有两方面，一是范围尽量宽，即能够重播的频率下限尽量低，上限尽量高；二是频率范围内各点的响应尽量平坦，避免出现过大的波动。
瞬态响应
器材对音乐中突发信号的跟随能力。
瞬态响应好的器材应当是信号一来就立即响应，信号一停就嘎然而止，决不拖泥带水。
6.信噪比（S/N）
又称为讯噪比，信号的有用成份与杂音的强弱对比，常常用分贝数表示。
设备的信噪比越高表明它产生的杂音越少。
7.屏蔽
在电子装置或导线的外面覆盖易于传导电磁波的材料，以防止外来电磁杂波对有用信号产生干扰的技术。
8.阻抗匹配
一件器材的输出阻抗和所连接的负载阻抗之间应满足的某种关系,以免接上负载后对器材本身的工作状态产生明显的影响。
对电子设备互连来说，例如信号源连放大器，前级连后级，只要后一级的输入阻抗大于前一级的输出阻抗5-10倍以上，就可认为阻抗匹配良好；对于放大器连接音箱来说，电子管机应选用与其输出端标称阻抗相等或接近的音箱，而晶体管放大器则无此限制，可以接任何阻抗的音箱。
因此对一个功放而言，我们要在保持最大功率的基础上还要兼顾不失真，有较好的信噪比，灵敏度要好，这些是我们要重点解决的。
四、原理分析
1.直流稳压电源的工作原理
电源是构成一个完整功放的重要组成部分，其稳定的向外电路提供能量，保证外电路能正常的进行工作。
但一般地都是从市电经变压器降压而实现的，那么如何降压，如何把交流经某些元件变成直流，并保证其能稳定的输出是必须考虑的问题。
做为稳压电源它是由电源变压器、整流、滤波和稳压电路等四部分组成。
电源变压器是将交流电网220v的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压。
而脉动的直流电压含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以消除，从而得到平滑的直流电压。
A.变压器
变压器的种类有许多，单输出的双输出的，体型有大有小，输出电压、功率等依型号而定。
外电路所需电压值、流过电源的电流、外电路的功率都将影响到电源输出电压的稳定性，因此输出电压、本身功率等都是必须考虑的，在本电路中我们选择双28v输出电压的变压器。
B.整流电路
要使交流电压变成直流电压，整流电路就是必须的。
常见的整流电路有单相半波整流、单相全波整流、单相桥式整流和倍压整流电路。
由于桥式整流电路输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。
因此我们在此采用最大电流2A的整流桥。
C.滤波电路
滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成。
其工作机理是，点抗性元件在电路中有储能作用，并联的电容器C在电源供给的电压升高时，能把部分能量储有平波的作用。
电感也有平波的作用，使负载电压比较平滑。
电容滤波一般针对小功率电源，而电感滤波多用于大功率电源中。
由于该电路采用双电源形式，我们将采取上下并联两组电容的形式来作为滤波电路。
并且电容由大到小依次排列。
第二级电容采用钽电解电容有效地防止了低频干扰成分对电路的干扰,第三极电容采用独石电容防止了高频成分的干扰,同时也提高了电源的稳定性.
本实验设计电源为可调的直流稳压电源，且为双电源OCL，其组成部分为：
变压、整流、滤波、稳压四部分。
此设计中稳压部分用集成稳压芯片，确定为可调式三端集成稳压器LM317和LM337。
稳压芯片
LM317
LM337
输出电压
1.25V~37V
-1.2V-37V
输出电流
5mA~1.5A
0.4A~2.2A
LM317和LM337的性能参数如下：
最大输出电压=1.25*（1+R3/R1）
电源整流部分用整流桥KBU610，它的额定电流为6A，最高承受电压为1000V。
电源的保护电路用整流管1N4007，当输出短路时，C1上的电压倍D1泄放，从而达到反偏保护；当输入短路时，C7等元件上的电压被D3泄放，用于防止内部调整管反偏；它的参数为：
最大正向平均整流电流：
1A
最高反向耐压：
1000V低的反向漏电流：
5ｕＡ
C3、C4、C5、C6用于输入滤波，C1用于提高IC的纹波抑制能力，C7用于改善IC的瞬态响应。
2.功放电路的工作原理
由输入级、中间电压放大级、互补输出级三部分组成。
输入级由两个三极管2N3904组成差分式放大电路，差分式放大电路具有对称性，可提高电路的共模抑制比，抑制零点漂移。
电压放大级是利用二极管进行偏置的互补对称电路，可消除交越失真，三极管2N3906作为它的前置放大级，进行激励放大。
对管2N3904和2N3906组成互补对称电路，对电流进行放大，TIP41C和TIP41C分别与前级的2N3904和2N3906组成达林顿管，对电流进行二次放大。
电路输入部分采用了电容耦合,这样前级的输入信号就可以几乎没有衰减地传递到后级的输入端.电路中C1就起了这个作用.差分输入级由Q1、Q2、R3、R13及R5组成,这里属于长尾式差分放大器,R2为基极提供了有效地偏置,Q3的作用是激励放大,对前级输出的信号进行再次的放大,提高增益.两个二极管为D2和D1提供了较稳定的电压,适量管在静态时微导通,有效地消除了交越失真;R3是Q3的偏执电阻,给Q3提供一个导通的条件,R12和C5是为模匹配而加的,做为输出级驱动的扬声器,它本身是由线圈组成的,具有感性成分,而电容又具有容性成分,这样就可以达到最大输出的模匹配,是放大达到了最大.做为R10和C3它们构成了交流电压负反馈.能有效的减小非线性失真.电容C2和C4为防止自激而加的补偿电容。
各三极管的参数如下：
2N3904
2N3906
TIP41C
TIP42C
V（ceo）
40V
40V
100V
V（cbo）
60V
40V
100V
V（ebo）
6.0V
5.0V
5V
Ic
200mA
200mA
6A
电流增益带宽积
200MHZ
250MHZ
放大倍数
100~400
100~400
3、名词解释
（1）零点漂移：
输入电压为零，输出电压偏离零值的变化。
它又被简称为零漂。
零点漂移是怎样形成的：
运算放大器均是采用直接耦合的方式，我们知道直接耦合式放大电路的各级的Q点是相互影响的，由于各级的放大作用，第一级的微弱变化，会使输出级产生很大的变化。
当输入短路时（由于一些原因使输入级的Q点发生微弱变化象：
温度），输出将随时间缓慢变化，这样就形成了零点漂移。
产生零漂的原因是：
晶体三极管的参数受温度的影响。
解决零漂最有效的措施是：
采用差分放大器。
（2）自激：
如果在放大器的输入端不加输入信号，输出端仍有一定的幅值和频率的输出信号，这种现象叫做自激振荡。
产生自激振荡必须同时满足两个条件：
1、幅度平衡条件|AF|=1
2、相位平衡条件φA+φF=±2nπ（n=0,1,2,3···）
同时起振必须满足|AF|略大于1的起振条件
基本放大电路必须由多级放大电路构成，以实现很高的开环放大倍数，然而在多级放大电路的级间加负反馈，信号的相位移动可能使负反馈放大电路工作不稳定，产生自激振荡。
负反馈放大电路产生自激振荡的根本原因是AF（环路放大倍数）附加相移.
单级和两级放大电路是稳定的，而三级或三级以上的负反馈放大电路，只要有一定的反馈深度，就可能产生自激振荡，因为在低频段和高频段可以分别找出一个满足相移为180度的频率（满足相位条件），此时如果满足幅值条件|AF|=1，则将产生自激振荡。
因此对三级及三级以上的负反馈放大电路，必须采用校正措施来破坏自激振荡，达到电路稳定工作目的。
可以采用频率补偿（又称相位补偿）的方法，消除自激振荡。
常用补偿方法有：
一、滞后补偿（电容滞后补偿、RC滞后补偿和密勒效应补偿）；二、超前补偿：
使回路增益的附加相移增大的相位补偿。
五、调试部分
1、电源部分
遇到的问题
问题的解决方法
感想与收获
①电源部分的错误均为自己在焊接时的粗心造成的，还好没把电容焊反，没导致严重的元件损坏，在以后的焊接过程中得再细心认真才行。
②在购买元件时得注意它的额定电压，必须高于电路中所供的电压。
1、接通电源后，发现电源负极的滑变冒烟；
检查电路，发现把保护电路中的整流管D4接反了；
2、解决了问题后通电源发现滤波电容和整流桥发热；
继续检查电路，发现把整流桥的正负极弄反了；
3、上述问题解决后测量输出电压，发现正负极均不可调；
检查电路，滑变接错了；
4、将电源部分和功放部分合并，接上信号发生器，输出接示波器，测量输出信号，示波器上未显示出输出信号；电源部分的稳压芯片发烫；通电一会儿后功放部分的输入端的1u的电容爆了
先检查电路，确定电路连接合适，和同学讨论得，电源供电太大（双32V），超过了电容的额定电压
2、功放部分
（1）静态工作点的调试
①开始的电路图是两个二极管之间没有那一节点，使得静态工作点怎么也调不合适。
解决方法：
变化电路图为现在的这样，结果静态工作点很快就调好了。
且给Q4提供偏置电压的那一点的点位为1.3左右，对应Q5那里为-1.3左右。
②有时通电时间过长正极电压会变成负的。
解决方法：
八成是把正极的哪个三极管烧了，要么击穿要么烧坏了，这样就把正极的点位拉下去了，所以变成了负的。
③为了方便调试，将某些关键部位的电阻用电位器代替，注意有的需要加定值保护电阻，而且先把电位器调到接近需要的阻值时再焊接上去。
（2）电压放大
当把静态工作点都调好以后，电压只是放大了2.5倍，测试所有的管子工作均合适，而且中点电压接近于零。
发现反馈不可调。
此问题未解决
六、制作过程中应该注意的问题
1.电路的排版及焊接
做完上述工作后就得采购元件开始焊接了,焊接前先做排版,怎样把元件安排好,有彼此之间不会产生影响.
（1）尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。
易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。
（2）某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。
带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。
（3）输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行。
最好加线间地线，以免发生反馈藕合。
在焊接时把握好焊接时间,既不能太长,也不能太短,特别是对于三极管、二极管等元件要注意，防止烫坏。
电路中的接地线最好用同一个节点，电源引线处用电容接地防止低频干扰，走线之间不能有平行线，应相互错开些。
输入端和电源之间要有一定的距离，谨防发生干扰。
输出端与输入端也应有相应的间隔，确保没有输入输出之间的干扰。
2、最好是一级一级的焊接，焊接完成后要调试电路的静态工作点以及测试相应的波形，而且先测空载，再测带负载的情况，确保无误后再连接下一级。
3、当电路的静态合适后，中点电压自然就接近于零，所以不必急于去调中点电压，而应该调节电路的静态工作点。
4、在把三极管焊接上去之前应该先测量它的实际hfe的值，尤其是功率放大部分对管要求两个管子差异及其小。
七、实验心得体会
整个实验花费了一个多月的时间，结果却不近人意，但从中我却学会了许多东西。
1、学会了如何正确测量三极管的hfe的值；
2、学会了分析三极管的工作状态，及三极管的静态工作点的调试；
3、学会了遇到问题后不应该知难而退，而是大胆地去解决它；
4、整个过程中磨合了我的心态，不那么急躁了；
5、不再相信“模电的魅力”之说了，之所以会出现以前的种种情况，是因为没把电路的工作状态调合适；
6、通过此次实验让我觉得自己的模电基础理论还是很欠缺的，遇到问题后缺少成熟的理论分析。
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