OTL电路设计报告.docx

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OTL电路设计报告

OTL电路设计报告

学生班级：

xxx姓名：

xxx

学号：

xxx

一、课题名称:

分立器件OTL电路设计

2、设计要求:

OTL（OutputTransformerLess）是无输出变压器功率放大器的简称。

采用OTL电路目的：

（1）是简化电路（省略输出变压器）；

（2）提高功放效率；输出级采用互补式复合管结构，分别对正负半周信号输出，合成为完整的周期信号；输出电容较大，同时起到中点浮动电源作用。

为了获得较大的输出功率，一般由前置级-激励级（推动级）-功率输出级组成

主要参数：

VCC=12~16V,THD≤1%,RL=8Ω,输出功率POM=1.5~3瓦；

输入阻抗Ri≥20kΩ

频带宽度：

20~20KHZ（-3dB）

效率≥60%；电源提供的能量应尽可能地转换给负载，以减少晶体管及电路的损失，要注意提高功放的效率（）。

η=POm/PV×100%

Pom：

负载（扬声器）得到的最大功率。

PV；

电源向OTL功放电路提供的功率。

增益≥30db；增益=20log（vo/vi）。

。

3、设计思路

1、前置级要求有较大的输入阻抗，Ri≥20kΩ；晶体管工作电流一般为0.5ma左右;

2、激励级要有较大的增益，提供足够的驱动电流，并引入自举电路提高驱动能力，

满足输出幅度的需要；晶体管工作电流一般为2~3ma左右，需防自激；

3、输出级工作处于甲乙类状态，克服交越失真采用准互补输出，需具有较大的电流

放大能力,一般用复合管结构；OTL功放最大输出功率与电源电压的关系满足：

Pom=（Vcc-2Vces）2/8RL

一般情况下（IC≤1000ma）可认为：

Vces≤1v,由此可知：

当RL=8Ω，

Vcc=12V,Pom=1.5W;Vcc=16V,Pom=3W;Vcc=18V,Pom=4W;以此类推。

4、保持电路性能稳定，在输出级和前置级之间采用交直流负反馈电路。

4、主要设计指标的实现方式及计算

1.前置级电路的选取

特点：

引入交直流负反馈稳定静态工作点和增益并保持一定的带宽，一般采用差分放大电路，IC1≈IC2=0.5ma。

以图1为例，介绍设计方法

前置输入级由Q1Q2差分放大电路组成，每只三极管静态工作电流设置为0.5ma左右，R1、R2、R3、R4、R5、R6是差分放大电路的偏置电阻，R4、R5阻值相等，流过的电流和Q1的集电极电流Ic相当（Q1的β≥80），故Q1的基极近似取得电源的中点电压。

R2为Q1Q2提供1ma的工作电流。

R1是差分级的单端输出负载电阻，同时又可调整激励级Q3的静态电流和输出级的静态电压VD（电源的中点电压）。

Q1的基极电位Vb1≈6.0V，Ve1≈6.7V;

IC1≈IC2=（VCC-Ve1）/2R2，R2取5.1KΩ

Ri=R3//（rbe+2βR2）,rbe+2βR2＞＞R3,Ri≈R3,取33KΩ

Q1Q2可选取低频小功率管BVceo≥1.5~2VCC,Iceo≤1μa

β≈80~100

2.激励级电路的设计

特点：

满足增益要求，提供足够的驱动电流

，为互补对称输出级建立甲乙类工作点,Q5静

态工作电流一般1.5~3ma。

Q5、R6、R9、R10、D1、D2、C3组成推

动级电路，设置Q5的工作电流约为2ma左

右。

R10、D1、D2是为改善输出级的交越失真而设置的，D1、D2对复合输出管Vbe起温度补偿作用，调整R10使输出管工作在甲乙类状态（VBC=1.3~1.8V），既消除交越失真又取得较好的输出效率。

C5使得交变信号⊿VBC≈0，正、负半周时，输出级取得相等的激励信号。

C4是防自激相位补偿电容，在30~100p之间取值Q5的集电极电位VC5≈（1/2VCC）-0.6V;VBC≈1.5~1.8V,IC5取值2ma,R10设置为300~500Ω可调；

流过R8R9的电流≈IC5=2ma，IC5（R8+R9）=VCC-（5.4+1.8）=4.8V,求得：

R8+R9=2.4KΩ,取R8=220Ω，R9=2.2KΩ，R6取100Ω稳定工作点；

Q5选取低频中功率管:

BVceo≥1.5~2VCC,Iceo≤10μa，β≥100Icm≥500ma,保证有足够的电流放大能力

3.输出级电路的设计

特点：

互补对称（正负半周），克服交越失真，足够的输出幅度，较高的工作效率。

Q1Q3组成NPN复合管，Q2Q4组成PNP复合管。

正半周Q1Q3经C2RL形成回路，负正半周C2经Q2Q4RL形成回路。

C2实际上是起到中点浮动电源作用，在正半周输出时，C2经充电储存能量，为负半周输出提供足够的能源。

设计依据不仅仅是按通频带考虑，而是和输出功率的能耗相关，取值一般在几百~千微法数量级。

从输出端引入交直流负反馈到前置级，稳定静态工作点和增益。

R8和C1组成自举电路，促使Q1Q3组成NPN复合管进入临界饱和状态，得到正向最大输出幅度。

VA的静态电位一般设置为VCC-（0.5~1.0V），静态时C1被充电，具有（1/2VCC）-0.5V的电压。

有利于提高正半周的输出幅度。

Q1Q3组成的NPN复合管和Q2Q4组成的PNP复合管均

要求具有足够的电流放大能力，且特性要求准对称。

Q1为NPN中功率管，BVceo≥1.5~2VCC,

Iceo≤10μa，β≥100，Icm≥500ma,

保证有足够的电流放大能力。

Q2为PNP中功率管，BVceo≥1.5~2VCC,

Iceo≤10μa，β≥100，Icm≥500ma,

保证有足够的电流放大能力。

Q3Q4选取NPN大功率管：

（带散热片）

BVceo≥2VCC,Iceo≤100μa，

在Ic电流为0.5A以上时，β≥20~40；

一般要求保证功率管的Icm≥2~3（VOM/RL），

取Icm≥4A。

且要求功率管的PCM≥0.5~0.8POM

R11R12是Q3Q4静态分流电阻

（动态分流作用忽略可不计），

在甲乙类状态下，复合管的工作电流控制在5~10ma,

不出现交越失真时，Q1Q2的静态电流一般≤1~1.5ma，

VbeQ3≤0.6V,可算出R11=R12≤400Ω,取330Ω。

请同学们在VCC=12V时，

确定各级电路的电容耐压值（原则：

选取的耐压值≥1.5~2实际承受的最大电压）。

5、

电路原理图

6、电路的PCB图

正面

反面

7、装配、焊接要领及说明

焊接技术要领

1.焊接前调好烙铁温度，烙铁应保持干净。

并调好药品的温度（约280度）。

2.左手持焊锡，右手持烙铁。

先将焊铁头靠在被焊元件引脚与焊盘交汇处，

再将焊锡送至住交汇处及烙铁头上。

3.焊接时间2-3秒。

4.焊点牢固光滑，大小适中，一般控制在焊盘大小的2/3以上。

5.焊铁牢固明亮，焊接时不损坏器件。

6.不得有虚、假、漏焊。

7.焊料与被焊元件金属引脚接触处的角度为45-60度。

8.焊点表面应光洁明亮，不得有拉尖，起皱，鼓气，夹渣，出现麻点等现

象。

9.焊料到被焊元件金属引脚的过渡处应圆滑流畅的湿润状及凹凸面。

8、调试方法和步骤

对照原件清单和印刷电路板准确无误装配并将功率管的散热板固定牢，检查无虚、漏、错焊，即可调试。

注意：

甲乙类工作点控制支路的R5D1D2焊接不要出现虚焊或二极管极性反接形成开路，否则静态时末级功放管电流可达数安培以上导致管子过载，甚至损坏。

1、静态电位的调整：

加入12V电源，调试前最好测量T1的基极电位，应是6V左右，射极电位是6.6V左右。

在静态条件下测量输出静态电位VD（注：

可调电阻R5调到最小值，使T4~T7处于截止状态），若高于1/2VCC，调整R12，增加它的阻值，使得T3的工作电流加大，VD向减少方向变化，反之亦然。

将VD调整到6V±0.1V即可。

如调整R12静态电位VD无变化，需检查T1、T2是否有虚焊，三极管极间是否有短路等故障。

调整的目的是使VD处于中点电位，大信号时，输出幅度有对等的变化范围。

若测量输出静态电位VD偏离1/2VCC很多，则需测量R12、R12、R13、R18这些电阻上的压降，对T1、T2（工作电流0.5ma左右）、T3（工作电流1.5~2ma左右）的工作状态检查，排除故障再调试。

补图“

2、输出级静态电流的调整：

VD调整后，将电流表串入R8回路，调电阻R5的值，由小调大，缓慢调整，使得输出管工作电流达到5~10ma（随输出管不同，大致的电流范围，在不出现交越失真的前提下，电流小一点好）,再检测VD，可能偏离原先调好的值，此时，需再调电阻R12，对R5和R12反复调整几次即可达到调整要求，调整的目的是给输出管建立甲乙类工作点。

调好后，测量VA的电位在11.5V左右，VC在5.4V左右,VD≈6±0.1V。

T6的集电极电流为5~15ma（以动态测量时，不出现交越失真，电流小为好）。

3、动态测量

（1）在输出空载下：

输入端接入VPP=100mv,f=1kHZ的正弦信号，用示波器观察输出波形有无交越失真，缓慢加大信号幅度，输出波形幅度也随之变化，若有交越失真，需适当加大R5的值（增加末级输出管T6的工作电流）,直到失真刚消失为止。

当幅度达到临界饱和时，输出幅度VPP在10V左右，随即就可接入负载测量。

（2）带载条件下：

接入负载RL≥8Ω的扬声器，逐渐加大信号，观察输出幅度VPP是否能接近10V左右，若上半周信号幅度小：

（1）说明自举电路工作不良，检查C2是否良好，有无虚焊？

（2）T6大电流放大能力不够，饱和压降偏大。

若下半周信号幅度小：

（3）T7大电流放大能力不够，饱和压降偏大。

（4）输出电容C5实际容值不足。

只要输出幅度VPP在临界失真下达到9V以上，接近10V。

波形上下半周谁先出现削波失真不用考量。

带载测量时，输出幅度会比空载略低是正常的。

若调试中输出幅度偏小，且增益与设计值偏差较多，则需检查R10R11的阻值是否正确？

确信元件无错时，可适当增加激励级的增益，将R13减小到68~51Ω。

将电路闭环负反馈电阻R11适当减少（390~510Ω）提高电路增益。

（3）输出工作效率的测量：

在满载工作时，测量出流过VCC的直流电流IVCC和负载的输出波形幅度VPP，就可计算出该电路的工作效率η，最好的会接近60%，这和理想状态条件下的效率η=78.5%（π/4）有一定的差距，请同学们分析产生差距的因素。

（4）通频带BW/AV增益的测量：

用逐点法或扫频法，同学们可测量出OTL功放电路的通频带（测试时，保持输入信号幅度（vinPP=100mv）不变，仅改变频率，测量出对应频率时的输出幅度）将测量结果和仿真作对比并分析。

若你想让OTL板在16V电压下工作，只需调整R14（参考值6.8~7.2K）、R4的阻值（参考值3~3.3K）和R13的阻值（参考值51~100Ω）即可，调试的方法同前,输出功率可接近3W；若负载RL改用4Ω，输出功率将接近6W。

注意；T6、T7大电流（﹥1000ma）时的电流放大系数（β）和较低的饱和压降（VCEsat）是提升输出幅度的重要因素。

R8、R9是自制电阻，用Φ0.08的漆包铜线长约200mm绕制在1KΩ的电阻上，起保险丝的作用，在工作电流小于1安培时，此电阻可短接不用。

附：

铜的电阻率ρ为0.0175Ω·mm2/m。

9、主要参数的测量、调整及数据整理

1、静态电位的调整

加入6V电源，调试前测量T1的基极电位3V左右，射极电位6V左右。

把可调电阻R5调到最小值，使T4~T7处于截止状态，在静态条件下测量输出静态电位VD，若高于1/2VCC，调整R12，增加它的阻值，使得T3的工作电流加大，VD向减少方向变化，反之亦然。

将VD调整到6V±0.1V。

2、输出级静态电流的调整

VD调整后，将电流表串入R8回路，调电阻R5的值，由小调大，缓慢调整，使得输出管工作电流达到5~10mA,再检测VD，可能偏离原先调好的值，此时，需再调电阻R12，对R5和R12反复调整几次即可达到调整要求，调好后，测量VA的电位在11.5V，VC在5.4V,VD≈6±0.1V。

T6的集电极电流为5~15mA。

3、动态测量

（1）在输出空载下：

输入端接入VPP=100mv,f=10kHZ的正弦信号，用示波器观察输出波形有无交越失真，缓慢加大信号幅度，输出波形幅度也随之变化，若有交越失真，需适当加大R5的值,直到失真刚消失为止。

当幅度达到临界饱和时，输出幅度VPP在10V左右，随即就可接入负载测量。

测量数据如下：

（2）带载条件下：

接入负载RL=18Ω的电阻，逐渐加大信号，观察输出幅度VPP接近10V左右。

（3）输出工作效率的测量：

在满载工作时，测量出流过VCC的直流电流IVCC和负载的输出波形幅度VPP，就可计算出该电路的工作效率η。

我的测量:

增益和通频带的测量

1.vcc=12vip=50mvRL=18Ω不变测得fL=10Hz，fH=281kHz.

2.当f=fL时v0=vmax/

=3.6

当f=fH时v0=max/

=3.6

3.增益Av=V0pp/vipp=17.525

效率的测量

1.f=1khz,vcc=12v,RL=18Ω加大vipp=582mv使v0pp=10.2v输出最大不失真值

2.读出不失真时电流的读数Iv=100.1mA

3.测效率=

/2*RL/（VCC*Iv）

=0.633

4.数据的整理

①当VCC=12V,f=10kHZ,RL=18Ω,ViPP=582mV，VoPP=10.2V时，

根据公式η=PO/PV=[（VPP/2√2）^2]/（VCC*IVCC*RL）得

η≈0.6033

VCC

12V

f

10kHZ

RL

18Ω

ViPP

582mV

VoPP

10.2V

η

0.6033

（4）通频带BW/AV增益的测量：

用逐点法可测量出OTL功放电路的通频带测试时，保持输入信号幅度（vinPP=100mv）不变，仅改变频率，测量出对应频率时的输出幅度，数据如下：

f（kHZ）

0.01

0.9

5

80

100

200

281

VoPP（V）

5.09

7.12

7.20

7.20

6.76

5.64

5.09

因此可得次OTL功放板的通频带为0.01Khz~281kHZ

10、整理电路原理图，并标明调试测试完成后的各元件参数及元件清

单

序

名称

编号

规格/型号

数量

备注（代用）

一

直插电阻

R1、R2、R17

12K

3

R0、R10

39k

2

33K

R3

240Ω

1

R4

2.4K

1

3.3k（VCC=18V）

R18

1K

1

R11

510Ω

1

470~1KΩ

R14

5.1K

1

7.5k（VCC=18V）

R13

51Ω

1

51~100Ω

R6、R7

330Ω

2

微调电阻

R12

2K

1

R5

500Ω

1

音量调节电位器

R16

50K

1

二

电解电容

C1、C9、C4

100μ/25V

3

C0

100μ/25V

1

100μ/15V也可

C2、C7、C8

470μ/25V

3

C5

2200μ/25V

1

三

瓷片电容

C3

51P

1

51~100P

C6

4.7μ/25V

1

3.37μ/25V

四

晶体管

T1、T2

8550

2

特性大致一致

T5

8550

1

T3、T4

8050

2

T6、T7

BD243A

2

带散热板

五

二极管

D1、D2

1N4148/4100

2

发光二极管

LED1

φ3mm

1

2A保险座

F1

1

音频输入线

1

长度：

60CM

11、体会与收获

选这门课的初衷是想锻炼一下自己的动手能力，当上第一堂课的时候听老师讲，觉得这个课好难哦，老师讲得那些东西我觉得自己基本上不懂。

不过当老师讲完以后我觉得自己稍稍有那么一些开窍啦。

觉得很高兴。

当正式做的时候，我接触了人生当中的第一次焊接，感觉很新奇，很好玩。

但是看到别人很容易得就焊好啦，而自己总是弄不好又有点伤心，幸好有老师不厌其烦的指导，让我最终可以完成实验。

当完成实验以后，觉得很有成就感。

这次实验中我既学到了理论知识有练就了动手能力，自我觉得收获很到。