电源与功放电路设计.docx

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电源与功放电路设计

OCL高保真功率放大器

电路设计

班级：

08电子、姓名：

樂音王

2011-3-02

摘要：

OCL功率放大器即为无输出电容功率放大器。

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，其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。

关键字：

电源电路、功率放大器、乙类功放电路，OCL功放

一、引言

功率放大电路是一种能量转换电路,要求在失真许可的范围内,高效地为负载提供尽可能大的功率,功放管的工作电流、电压的变化范围很大,那么三极管

常常是工作在大信号状态下或接近极限运用状态,有甲类、乙类、甲乙类等各种工作方式。

为了提高效率,将放大电路做成推挽式电路,功放管的工作状态设置

为乙类,以减小交越失真。

常见的音频功放电路在连接形式上主要有双电源互补推挽功率放大器OCL（无输出电容）、单电源互补推挽功率放大器OTL（无输出变压器）、平衡（桥式）无变压器功率放大器BTL等。

由于功放管承受大电流、高电压,因此功放管的保护问题和散热问题必须重视。

功率放大器可以由分立元件组成,也可由集成电路实现。

本课题主要设计一个OCL功率放大器，来满足设计要求。

二、设计任务

设计一个OCL功率放大器，要求如下：

1）最大不失真输出功率PLM＞5W（RL=8）。

2）输入为标准音频线路输入RO=600Ω,1mW（0.775V）

3）放大器的效率优于50％。

4）放大器的频响特性：

1Hz——100KHz。

5）设计并制作一个双路（±12V）线性直流稳压电源（可选用78XX和79xx系列三端稳压模块）。

三、设计思路

电路原理方面,该电路包括差动输入放大电路、共射放大电路、偏置电路、交越失真消除电路、准互补功率放大电路、负反馈电路、扬声器补偿电路等。

其电路原理总图如下所示，但电源采用自己设置的直流稳压电源正负12V。

四、系统设计

1、输入端仿真图

根据要求，因为Ri=600Ω，则选择R1为600Ω

Vo=6-R2/R1*Vi=6-1.27Vi

在正输入端加入6V电压，为了抬高静态工作电压，使后面的三极管正常工作，也有利于减小交越失真。

在输入端加入100uf的电容，起到隔直通交的作用。

2、差分放大器

原理：

由两个参数特性相同的晶体管用直接耦合方式构成的放大器。

若两个输入端上分别输入大小相同且相位相同的信号时，输出为零，从而克服零点漂移。

差分放大器将两个输入端电压的差以一固定增益放大。

很多系统在差分放大器的一个输入端加输入信号，另一个输入端加反馈信号，从而实现负反馈调节作用。

其原理图与仿真图如下所示：

该放大电路由于采用两个特性相同的放大电路组成对称电路,并且发射极上有共用R2电阻共同作用,达到抑制零漂的效果,一方面,共用发射极电阻,使两放大电路由于零漂产生的参数变化同时进行,零漂被抵消。

另一方面,共用电阻R2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漂移。

3、双电源OCL乙类功率放大器

1）甲类、乙类功率放大器比较

甲类放大器的特点是工作点选在输出特性曲线线性区的中间位置，信号电流在整个周期内都流通，失真小但效率低，输出功率也小。

乙类放大器工作点选在基极电流等于零的那条输出特性曲线上，信号电流只在半周期内流通，效率高，输出功率大，符合我们这次课题的要求，因此我们选择乙类功率放大器。

而鉴于乙类功率放大器很容易出现交越失真，我们采用准乙类功率放大器，即比乙类功放稍微抬高点静态工作点，这样即可消除交越失真现象。

2）乙类推挽功率放大器

利用两只型号相同、主要参数相同的晶体管，采用变压器耦合组成工作在乙类状态的推挽功率放大器，可以获得高效率、低失真的功率放大。

电路工作的主要特点是两管交替工作，并将每管工作时所得半周期输出波形进行合成，完成不失真的放大。

乙类（B类）功率放大器——工作点零偏置，只有在信号0～丌（正半周）范围内，功率器件于线性放大区内导通工作，导通角等于零，如图所示。

单管乙类功率放大器仅有半周信号输出，失真大。

设计上如果使用两个功率器件，分别于信号的正、负半周轮流工作，就能不失真地进行功率放大，这种工作方式被形象地叫做“推挽”。

乙类推挽功率放大器具有失真小、效率高的特点，是一种常用的功率放大器电路。

原理图如下所示：

两管T2、T3两管分别在Uin的两个半周期内导通，一管导通，一管截止，相互配合，交替工作。

输出端Uo分别接在两管集电极，当两管交替输出的集电极电流通过时正负半周合成为完整的波形。

需要指出，电路工作在乙类状态时，两管基极都未设偏置。

由于晶体管输入特性曲线上存在一段“死区”，在信号正负半周交接的零值附近，出现没有放大输出的情况，反映到负载上就会出现波形的两半周交界处有不衔接的现象，即“交越失真”。

推挽放大器如果采用准乙类放大方式，就可以大大减小交越失真。

所以一般的实用电路，在静态时都要给晶体管加上一定的正向偏压。

保证晶体管在信号电压较低时，仍处于良好导通状态。

具体电路如下图所示：

电路说明：

Ｑ4、Ｒ15、C3组成了共射放大器；

Q8、R26、R13构成跨导环放大器为功放管提供准乙类直流偏置电压，克服交叉失真；

Q5、C4、R14为恒流源负载；

R10、D1、D2提供了Q5的偏置电压

4、稳压电源设计

1，LM78XX的应用

在1端输入限定范围内的交流电压，2端接地，可在3端输出指定的电压。

如：

LM7812，其输入端输入范围为14.5~27V，其输出端输出+12V电压。

而若为LM79××，则同理可输出负电压。

2、原理图如下所示

1）由于LM7812和LM7912输入端电压值应在14.5~27V，因此，我们这里采用了变压器，把电源电压的交流电压220V变为16V交流电；

2）由于信号接地引起的不良耦合，因此我们在直流电源和地之间接了退耦，即图中的C1,C3。

根据多次实验证明，选择电容为100u，0.1u。

但由于实际原因，焊接时C1采用了4.7uF

其仿真图为：

五、焊接

焊接技术是设计硬件电路的一个重要环节，焊接是这次项目的重点和难点。

要求手工焊接所形成的焊点：

圆滑光亮、无气孔、无尖角、无拖尾；大小一致；焊料适当，使焊锡充布焊盘，不堆锡，更不能粘连，焊接时时间不宜超过3s，防止损坏元件；焊接CMOS器件时应使用防静电烙铁，防止将其极性击穿。

当元件焊错后需要拆器件时要特别注意焊板上的铜片，一旦铜片脱落，就会在电路的连接上造成困难。

本次焊接时应注意三极管的引脚问题，尤其是后面的那两个大功放管的引脚，第一次焊接时把它的ebc脚搞错，增大了后面调试阶段的难度，另外，由于本次的原理图比较复杂，焊接时很容易漏焊，多焊，造成调试时直流稳压电源连接不上，最后是接地线和电源线的正确连接，为了避免电流过大造成的耦合，电源线和接地线到最后都要连接在一根很粗的铜线上。

为了容易检查错误，我们在焊接的时候尽量按照原来设计的电路图来布局。

焊接时主要根据如下原理图来连线，总原理图为：

六、调试

为了良好的完成调试工作，需对实验仪器进行熟悉。

在调试过程中，R26的调节会对电路的电流产生很大的影响。

因此第一步调节R26，是输出的电流在一定的范围内，这样可以较好的是各级三级管在正常状态工作。

因此第一步调R26,确保在输出级前一级放大支路（即Q7、Q10支路）上的电流在4mA~5mA；

第二步调节R25、R26对电路板进行调零，即在电路输入为0时，其输出也为0；这样可以减小系统本身噪声对信号的影响。

第三步调节放大增益，最主要的增益调节是R23，本电位器对于增益的放大起最主要的作用，在调节次电位器的同时要观察信号输出是否失真。

在实验的调试过程中，特别是在保证信号不失真的情况下主要联合调整R26、R23、R25这三个电位器，R26调整增益，R23防止交越失真的主要调节电位器，而对于波形的其他失真需对这三个电位器综合调节。

根据设计要求：

输出功率PLM＞5W（RL=8）

则输出电压有效值为：

（PLM*RL）1/2=401/2=6.325V

输出电压Vopp=8.9V

除了功率放大要满足一定的要求之外，必须对信号的保真做更多的功课，人的音频主要在20-20KHZ,所以在这个范围内都必须保证信号的不失真，这样才能达到高保真功放的基本要求。

七、遇到的问题

本次实验最主要的问题是在调试过程。

最先遇到的问题是电压加不上，经过电路的一级级检察，发现最后的大功率管的管脚b和e接反了。

遇到的第二个问题时在输入小信号时，如何调整电路，消除信号的失真，由于选用的运放时LM324，在输入级输入小信号时，输出的小信号会有交跃失真，为解决此问题，在不改变整个电路的情况下，抬高输入的电压，使后级的上面半个区域的三级管Q6、Q7主要在工作，这样可以减小交跃失真，但是对于整个电路的设计来说是存在一定的问题，三级管Q7功耗会是原来的两倍，这样比较容易烧坏三级管Q7。

为了减小噪声和加载电压时对后面小信号的影响，需要加一些退偶电容，这样起到一个缓冲的作用，对于后面信号干扰会尽可能的减少。

八、实验结果

经过大约三四天的努力，板子终于调出来了，由于零点调得比较好，输入音频信号后通过扬声器放出来的声音质量还行，没多大的噪声。

通过函数发生器输入小信号，观察到的从1Hz~100KHz的波形均没有失真，以下是示波器上显示的波形图：

20Hz下输出的波形

5KHz下输出的信号

10KHz下的输出信号

15KHz下的输出信号

20KHz下的输出信号

九、总结

造成本次板子很难成功的一个主要因素是细心，不管在焊接方面还是在调制方面，都要做到仔细认真，有时候往往是一个很小的错误就会让人纠结很久，另外，由于电位器用的是粗调器件而不是微调电位器，使得零点很难稳定。

在实验仪器的使用方面得到很大的提高，能够比较熟练地使用示波器、函数发生器、稳压源等。

但还是不够，相信在以后的课题中会得到很大的提高。

参考文献

现代电子设计与创新.樂音王.北京：

中国电力出版社，2011

王武.模拟电路原理及应用[M].湖南:

湖南大学出版社,1995

典型OCL功率放大电路原理及制作，樂音王.电子制作，2011/03。