模电课程设计报告.docx
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模电课程设计报告
模拟电路课程设计
题目:
OCL功率放大器
学院:
信息学院
专业:
自动化
班级学号:
学生姓名:
指导教师;
-1-
一、课程设计任务及要求............................................................................................................-3-
1、设计目的....................................................................................................................................-3-
1、设计指标....................................................................................................................................-3-
2、设计要求....................................................................................................................................-4-
3、制作要求....................................................................................................................................-4-
4、OCL功率放大器各单元具体电路设计。
..................................................................................-4-
5、完成整体电路设计及论证。
....................................................................................................-5-
6、编写设计报告............................................................................................................................-5-
二、总体方案设计.......................................................................................................................-5-
1、设计思路....................................................................................................................................-5-
2、OCL功放各级的作用和电路结构特征.....................................................................................-7-
三、单元电路的选择与设计........................................................................................................-8-
1、设计方案....................................................................................................................................-8-
2、确定工作电压............................................................................................................................-8-
3、功率输出级的设计....................................................................................................................-9-
⑤方案设计电路图.....................................................................................................................-11-
各单元电路设计、参数计算和元器件选择:
.............................................................................-12-
四、总电路图及其工作原理......................................................................................................-13-
工作原理:
....................................................................................................................................-15-
五、功率放大器元件参数计算..................................................................................................-16-
1.确定电源电压............................................................................................................................-16-
2.功率输出级计算........................................................................................................................-17-
1.推动级的计算..........................................................................................................................-20-
4元件明细表................................................................................................................................-21-
六、总结....................................................................................................................................-21-
参考文献:
................................................................................................................................-23-
-2-
一、课程设计任务及要求1、设计目的
1学习OCL功率放大器的设计方法
2了解集成功率放大器内部电路工作原理
③根据设计要求,完成对OCL功率放大器的设计,进一步加强对模拟电子技术的了解
4采用集成运放与晶体管原件设计OCL功率放大器
5培养实践技能,提高分析和解决实际问题的能力2、设计指标
1频率响应:
50Hz≤f≤20KHz
2额定输出功率:
Po=8W
3负载电阻:
RL=8Ω
4非线性失真尽量小
5输入信号:
Ui<=100mv
-3-
3、设计要求
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
进行方案论证及方案比较
分析电路的组成及工作原理
进行单元电路设计计算画整机电路图
写出元件明细表
小结和讨论
写出对本设计的心得体会
分析设计要求,明确性能指标;查阅资料、设计方案分析对比。
4、制作要求
论证并确定合理的总体设计方案,绘制结构框图。
5、OCL功率放大器各单元具体电路设计。
总体方案分解成若干子系统或单元电路,逐个设计,计算电路元件参数;分析工作性能。
-4-
6、完成整体电路设计及论证。
7、编写设计报告
写出设计与制作的全过程,附上有关资料和图纸,有心得体会。
二、总体方案设计
1、设计思路
功率放大器的作用是给负载Rl提供一定的输出功率,
当R
I
一定时,希望输出功率尽可能大,输出信号的非
线性失真尽可能小,且效率尽可能高。
放大电路实质
上都是能量转换电路。
从能量控制的观点来看,功率
放大电路和电压放大电路没有本质的区别。
但是,功
率放大电路和电压放大电路所要完成的任务是不同的。
对电压放大电路的主要要求是使其输出端得到不失真
的电压信号,讨论的主要指标是电压增益,输入和输
出阻抗等,输出的功率并不一定大。
而功率放大电路
则不同,它主要要求获得一定的不失真(或失真较小)
-5-
的输出功率。
OCL功率放大器是一种一种直接耦合的
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。
由于OCL电路采用直接耦合方式,为了保证工作
稳定,必须采用有效措施抑制零点漂移,为了获得足
够大的输出功率驱动负载工作,故需要有足够高的电压放大倍数。
因此,性能良好的OCL功率放大器应由
输入级,推动级和输出机等部分组成。
OCL是英文
OutputCapacitorLess的缩写,意为无输出电容。
采用两组电源供电,使用了正负电源,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
放电路也是定压式输出电路,为钏电路由于性能比较
好,所以广泛地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功放级的调试带来了极
大地方便。
为了培养学生的设计能力,本课题主要采用分立元件电路进行设计。
-6-
2、OCL功放各级的作用和电路结构特征
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(音调控制级)送来的信号作用低
失真,低噪声放大。
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推动级作用是获得足够高的电压放大倍数,以及为
输出级提供足够大的驱动电流,为此,可采带集电极
有源负载的共射放大电路,其静态偏置电流比输入级要大。
③输出级的作用是给负载提供足够大的输出信号功率,
可采用有复合管构成的甲乙类互补对称功放或准互补功放电路。
此外,还应考虑为稳定静态工作点须设置交流负
反馈电路,为稳定电压放大倍数和改善电路性能须设
置交流负反馈电路,以及过流保护电路等。
电路设计
时各级应设置合适的静态工作点,在组装完毕后须进
-7-
行静态和动态测试,在波形不失真的情况下,使输出
功率最大。
动态测试时,要注意消振和接好保险丝,以防损坏元器件。
三、单元电路的选择与设计1、设计方案
利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控
制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。
因为声音是不同振幅和不同频率的波,即交流信号电
流,三极管的集电极电流永远是基极电流的β倍,β
是三极管的交流放大倍数,应用这一点,若将小信号
注入基极,则集电极流过的电流会等于基极电流的β
倍,然后将这个信号用隔直电容隔离出来,就得到了
电流(或电压)是原先的β倍的大信号,这现象成为三
极管的放大作用。
经过不断的电流及电压放大,就完成了功率放大。
-8-
2、确定工作电压
为了达到输出功率10W的设计要求,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
指标大些,一般取Pom≈(1.5~2)Po。
即本设计中电路的最大输出功率应按6~8W来考虑。
由于是
P
OM
=
1
1R
L
U
2
OM
因此,最大输出电压为
UOM=
2POMRL
考虑到输出功率管V
2
,V
4
的饱和压降和发射极电
阻R
10
,R
11
的压降,电源电压常取
V
CC
=(1.2—1.5)U
OM
3、功率输出级的设计
①输出功率管的选择
输出功率管V4,V6为同类型的NPN型大功率管,其承受的最大反向电压UCEmax≈2VCC,每个管的最大集电极电流为ICMmax≈VCC/R14+RL,每个管的最大
-9-
集电极功耗为P
Cmax
≈0.2P
OM
。
②复合管的选择
V1,V3分别与V2,V4组成复合管,它们承受的最大电压均为2VCC,考虑到R7,R8的分流作用和晶体管的
损耗,在估算V1,V3的集电极最大电流和最大管耗时,可近似为
I
Cmax
=I
Cmax
≈(1.1—1.5)
ICmax
β
P
Cmax
=P
Cmax
≈(1.1—1.5)
PCmax
β
③电阻R
6
-R
11
的估算
R7,R8用来减小复合管的穿透电流,其值太小会影响
复合管的稳定性,太
大又会影响输出功率,一般取
R7=R8=(5--10)Ri2。
Ri2为V2管输入端的等效输入电阻,
其大小为Ri2=rbe2+(1+β)R10(大功率管的r约为
10欧)输出管V
2
,V
4
的发射极电阻R
10
,R
11
用于获得
电流负反馈作用,使电路工作更加稳定,一般取R10=R11=(0.05—0.1)RL。
由于V1,V3管的类型不同,接法也不一样,因此
-10-
两管的输入阻抗不一样,会使加到V
1
,V
3
的基极输入
端的信号不对称。
为此,加R6,R9作为平衡电阻,使两管的输入电阻相等。
④确定偏置电路
为了克服交越失真,二极管V
8
,V
9
和R
7
,R
8
共同
组成输出级的偏置电路,以使输出级工作于甲乙类状
态。
其中V8,V9选择与复合管V4,V5相同材料的硅二极管,可获得较好的的温度补偿作用。
⑤方案设计电路图
-11-
集成运放放大器与晶体管组成的功率放大器图一
各单元电路设计、参数计算和元器件选择:
元器件清单:
电阻:
R1=4.7KΩ;R2=4.3KΩ;
R3=47KΩ;R7=6.8KΩ;
-12-
电容:
R8=1KΩ(电位器):
R9=10ΩK;R10=22Ω;R11=220Ω;R12=22Ω;
R13=220Ω;R14=0.5Ω;
R16=8Ω;
C1=C2=10μF;
C4=C5=220μF;
C6=C7=0.01μF
四、总电路图及其工作原理
-13-
-14-
工作原理:
1.用差分放大输入级抑制零漂,如前所述,为了使RL在静态时没有直流电流通过,即A点的静态直流
电位为零,所以采用正,负对称的两个小电源
(+VCC,-VCC)。
但是温度的变化又会引起零漂,所以
应采用差分放大器作为输入级,用它来抑制A点电位因受温度等因素影响而产生的零漂。
2.其他元器件的作用。
V3管为激励级,它把V1管
输出信号再进行一次放大后去推动功率输出级的功放
管工作,故该级又称为推动级。
C5是高频负反馈电容,
防止V
3
高频自激。
3.R
7
,V
8
,V
9
为功放管提供静态偏置,防止交越
失真,把V4,V5基极直流电信分开,并利用V8,V9补
偿功放管的温度特性,以稳定功放管的基极偏流。
4.R5,C3,R6组成电压串联负反馈电路。
C3对低
频信号短路,分压比R
6
/(R
5
+R
6
)为反馈系数,R
6
越大,
反馈量越大,反馈越强。
分压比适当则既可减小信号
非线性失真,又不致造成放大器增益下降太多。
-15-
5.R
16
,C
6
称中和电路,防止由于感性负载而引起
高频自激。
6.R4,C2是差动放大器的电源滤波电路。
7.C
4
称自举电容,用来提高功率输出级的增益。
由图可知,当输入信号U
1
为正半周时,经V
1
,V
2
和V
3
次放大并反相,u
c3
也为正半周,则V
4
,V
6
复合管
导通,信号放大后经R14,RL,地,+VCC返回V4,V6形成回路,在负载RL上有放大了的正半周电流i1通过,
其方向如图中的实线所示。
同理可知负半周上的i
2
通
过,如图中虚线所示。
这样轮流推挽工作,在R获得功率放大后的完整信号。
L
上就
五、功率放大器元件参数计算1.确定电源电压
电源电压的高低决定着输出电压的大小。
为了保证电路安全可靠地工作,通常是电路的最大
输出功率P
om
要比额定输出功率P
0
大一些,一般取
P
om
=(1.5到2)P
0
。
故
-16-
Pom=1.8×8=14.4W
所以,最大输出电压Uom应该根据Pom来计算,即,
U
om
=√2P
om
R
L
=√2×14.4×8=15.2V
考虑到管子的饱和压降以及发射极限流电阻的压降
作用,电源电压V
cc
必须大于U
om
,数量关系为
Vcc=1/η×Uom=1/0.7×15.2=22V
式中:
η—电源利用系数,一般取η=0.6到0.8.
在确定了各级电压增益和电源电压以后就可以进
行电路中各级的估算,通常需按照由后级向前级的顺序进行设计。
2.功率输出级计算
(1)选择大功率管
准互补对称功放级四只管子中的T
4、
T
5
是大功率管,
要根据集体管的三个极限参数来选取。
第一章管子承受的最大反向电压为U
CEM≈2VCC
≈
44V.
第二章每管最大集电极电流为I
cm≈
V
CC
/R
L
≈2.75A
第三章单管最大集电极功耗为P
CM≈0.2P
OM
≈
-17-
2.88W
然后就可以根据这些极限参数选取功率管,使选取
的功率管极限参数满足BUCEO>U
CEM
I
CM
>I
cm
P
CM
>P
cm
因此,选T
4,
T
5
管的型号分别为3AD18A和3AD18C。
注意:
应选取两功放管参数尽量对称,β值接近相等。
,
(2)选取互补管,计算R
19,
R
20
,R
21
①确定R
19
R
20
R
21
由于功放管参数对称,它们的输入电阻为:
Ri=rbe=200+(1+β)26mv/Ic=200.5Ω
要使互补管的输出电流大部分注入功放管的基极,通常取
R
19
=R
21
=(5--10)R
i
=6×200.5=1203Ω
平衡电阻R
20
可按R
19
/10=120.3Ω,选取
R18=R20=120.3Ω。
②选取互补管T2,T3
-18-
因为T
2,
T
3
分别于T
4,
T
5
组成复合管,它们承受的
最大反向电压相同(均为2Vcc),而集电极最大电流和最大功耗科近似认为
Icm≈(1.1-1.5)Ic4/β=1.3×15/50=0.39A
Pcm≈(1.1-1.5)Pcm4/β=1.3×10/50=0.26A
其中:
I
c4
P
cm4
—功放管(T
4,
T
5
)的集电极最大电流和
最大管耗;
β—功放管的电流放大系数。
选择互补管,使其极限参数满足
BU
CEO
>U
CEM
I
CM
>I
cm
P
CM
>P
cm
因此,取T2,T3管的型号分别为3AD4和3AD5.﹙3﹚.计算偏执电阻
功放级互补管(T2,T3)的静态电流由R16,二极管
和R17支路提供。
要使R16,R17中流过的电流IR16大于互补管的基极电流IBm,即
IR16>IBm=Icm/β(一般取IR16=1.2IBm)
-19-
式中,IBm,β分别为互补管的集电极最大电流和电流放大系数,而
IR16=(Vcc-UBE2-UBE4)/R16=(Vcc-0.7-0.7)/R16,
所以R16的阻值应为(Vcc-1.4)/IR16,而R17的阻值和R16相等。
故:
取IR16=1.2IBm=1.2×0.39/50=0.009A
R16=(Vcc-1.4)/IR16
=(22-1.4)
/0.009=2.3kΩ
3.
R17=R16=2.3kΩ
推动级的计算
推动级要有较大的电压放大倍数,前面已根据总电
阻的电压增益确定了推动级的放大倍数Aum3;其大小由闭环负反馈决定
Aum3=1+Rf/R14
R14阻值不要过小,一般为1~2kΩ左右,于是反馈电阻Rf的大小也就确定了。
故:
Rf=(Aum3-1)R14=24kΩ
-20-
4
元件明细表
R
16
2.3kΩ
R
17
2.3kΩ
R
18
120.3Ω
R
20
120.3Ω
R
19
1203Ω
R
21
1203Ω
T2
T4
3AD4T3
3AD18AT5
六、总结
3AD5
3AD18C
经历了这次课程设计,我对模拟电路这门课有了
更进一步的认识和了解,理论和实际操作都很困难,
要将实际和理论联系起来需要不断的下功夫,它和课
本上的知识有很大联系,但又高于课本,一个看似很
简单的电路,要动手把它设计出来就比较困难了,因
为是设计要求我们在以后的学习中注意这一点,要把
课本上所学到的知识和实际联系起来,同时通过本次
电路的设计,不但巩固了所学知