2022年OCL低频功率放大器设计报告.docx

目录1 设计地目地及任务（ 1）1.1 课程设计地目地 （ 1）1.2 课程设计地任务 （ 1）1.3 课程设计地要求及技术指标（1）2 OCL 低频信号放大器地总方案及原理框图 （ 1）2.1 系统概述 （ 1）2.2 方案挑选及原理框图 （ 3）3 各部分电路设计 （ 6）3.1 各个单元电路地设计 （ 6）3.2 电路地参数挑选及运算（10）3.3 总电路图 （ 17）4 电路仿真 （ 17）4.1 输入与输出波形对比（18）4.2 输入与输出功率对比（18）5 PCB 版电路制作 （ 19）5.1 绘制原理图并处处网络表文件 （ 19）5.2 设置 PCB 地尺寸 （ 19）5.3 导入网络表 （ 20）5.4 布局元件 （21）5.5 自动布线 （21） 6 试验总结 （23） 7 仪器外说明细清单 （ 25）8 参考文献 （ 26）一课程设计地目地和设计地任务1.1 设计目地（1） 进一步熟识和把握模拟电子电路地设计方法和步骤掌（2） 进一步懂得功率放大器地结构、组成及原理，将理论和实践相结合1.2 设计任务1. 已知条件输入电压幅值 Uim<0.1V ，负载电阻 RL=8 欧姆2. 指标要求出功率 >4W ，输出电阻 >40K ，工作频率 20HZ 20KHZ.1.3 课程设计要求1. 完成全电路地理论设计2. 参数地运算和有关器件地挑选3可对电路进行仿真4，撰写设计报告书一份：A3 图纸至少 1 张.报告书要求写明一下主要内容3. 总体方案地挑选和设计4. 各个单元电路地挑选和设计5. 仿真过程地实现二. OCL 低频信号放大气地总方案及原理框图2.1 系统概述功率放大器是以向负载输出肯定功率为主要目地地放大电路.所谓功率放大，只是把直流供电电源地能量转换为放大器输出地能量.按工作方式，功率放大器分为甲类、乙类、丙类、丁类和甲乙类；按输出方式，功率放大器分为有变压器输出，无变压器输出（ OCL ）、无电容输出（ OCL ）、无变压器平稳输出（BTL ）等 .多级放大电路有四种常见地耦合方式：直接耦合类、阻容耦合类、变压器耦合类和光电耦合类.直接耦合地特点：（1 ）可以放大沟通和缓慢变化地直流信号（2）便于集成（ 3） 各级工作点相互影响设置工作点困难（4）存在零点漂移阻容耦合地特点：（1）只能放大沟通不能放大缓慢变化地信号（2 ）不便于集成（ 3）静态工作点相互独立，易于设置（4）不存在零点漂移变压器耦合特点：（1）只能放大沟通不能放大缓慢变化地信号（2 ）不易于集成（ 3）静态工作点独立（ 4）能实现阻抗匹配光电耦合特点：（ 1）输入回路与输出回路电气上隔离，抗干扰才能强（2）具有较强地放大才能功率放大器可能由以下几个部分组成： 输入级要求输入级具有尽可能高地共模抑制比和高输入阻抗，所以输入级通常采纳带有射级恒流源、温度漂移小、内部参数匹配性能好和易于补偿地差动放大电路.输入级电路地主要作用是在尽可能小地温度漂移和输入电源下，得到尽可能大地输入电阻和输入电压地变化范畴，它是抑制温度漂移地关键一级，对于整个电路指标地优劣起着关键地作用，多采纳差分放大电路.推动级推动级地任务是把柔弱地信号加以放大，用以推动功放输出级它工作在小信号状态下，要有最够高地电压增益，实现电平移位，并且有从双端输入到单端输出地转换功 能，所以一般采纳共射级放大电路.功率放大电级功率放大电路用以输出足够大地输出功率.功率地定义是电压和电流地乘积.故一个足够大地功率放大电路，不仅要有足够大地输出电流幅度，仍要有足够大地输出电压幅度.偏执电路其主要作用是为各级电路供应稳固地、合适地偏置电流，打算各级电路地Q 点， 使功放尽可能少受温度和电源电压变动地影响.当然在这里，偏置电路就可以认为是供电电路 .帮助电路爱护电路主要是为了爱护电路能在适当地条件下安全地工作.比如电路地过流爱护，以及过热爱护和过压爱护等，这类电路在整个电路地正常工作中有重要地作用，它表达了设计者设计电路地周密性，完整性.2.2 方案挑选及原理框图甲类功率放大电路，支流输出电阻小，带负载才能强，但有用功效率比较低,一般用于信号源地推动放大.乙类功率放大电路，虽然管耗损少有利于提高效率，但存在严峻地波形失真，输出信号地半个波形被消耗掉了，一般使用时是用互补地两个管子交替工作输出，加装肯定地偏置电路后可以克服管子地交越失真，使之完整地输出放大信号.最常用地是甲乙类工作电路，他结合了甲类功放电路和乙类功放电路地优点，使之更好地放大信号 .当然仍有丙类和丁类工作状态地电路，这里不做介绍.本次课程设计使用地就是这种改进地 OCL 电路 .（ 1） OTL 电路无输出变压器地功率放大电路，用一个大容量电容取代了变压器. 采纳单电源供电， T1 和 T2 管为共射级地接法， .当 Ui > 0 时， T2 管截止；当 Ui < 0 时， T2 管导通， T1 管截止 .OTL电路工作在乙类放大状态，不加帮助电路会显现交越失真，使放大地效果变差 .三极管地承担地电压较低，不易集成.当增大到肯定程度时，由于两个极板地面积很大，且卷制而成，但结电容不再是纯电容，这时会存在漏阻和电感效应，低频特性将不会明显改善 .静态： UBE = 0 ，IB = 0 ， IC = 0 ， UCE = 0.优点：只用一个电源 .缺点：频率相应差，输出功率小，电源利用率很低，一般最好可以达到0.5 左右 .电路原理图如下：2OCL 放大电路它采纳双电源供电， T1 和 T2 均构成共射级地接法，无输出电容.静态工作点：两三级管均截止UBE = 0 ， IB = 0 ， IC = 0 ， UCE = VCC.当 Ui > 0 时， T1 管导通， T2 管截止，这时正电源供电；当 Ui < 0 时， T2 管导通， T2 管截止，这时是负电源供电.T1 和 T2 管交替工作，正负电源交替供电，输出与输入之间双向跟随.易集成，频率特性好，管子承担电压比OTL 地管子要大 .优点：输出与负载直接耦合，具有频率相应宽，保真度高，动态特性好，易于集成，电源使用效率高，输出功率大等优点； 缺点：使用两组电源 .电路原理图如下：本次课程设计设计地是OCL 低频功率放大电路，主要有以下几部分组成：信输推功号入动率源级级放大级三各组成部分地工作原理3.1 各个单元电路地设计：输入级地设计：输入级是由Q6、Q7、Q10 组成带有恒流源地差分放大电路，减小了电路地零点漂移，并且引入了深度直流负反馈，进一步稳固输出A 点地静态电平 .对于沟通信号，由于C2 足够大，可视为短路，所以其反馈系数F=R14/R14+R13 ，适当挑选 R14 地数值，可以得到中意地电压增益.输入级地电路如下图所示：接推动级接反馈信 号 输输入与输出信号对比（ 2） 推动级地设计：采纳 Q5 组成一般共射电路.为了扩大输出管地范畴，本级加了自举电容C4.在信号地负半轴内，通过C4 反馈，可为 Q1 供应足够地基极电流，保证Q1、Q4 充分导通 .推动级地电路图如下图所示：信号输入接功率放大级前后信号对比（ 3）功率输出级地设计：功率输出级是由 Q1 ，Q2， Q3，Q4 组成地复合管准互补对称电路，可以得到较大地输出功率 .电阻 R1， R2， R3， R4 用来减小复合管地穿透电流，增加电路地稳固性.偏置电路用晶体管 Q9 组成恒压电路，保证功率输出管有合适地电流，以克服交越失真.功率输出级电路如下图所示：经 推 动 级放 大后地信号输入前后信号对比3.2 电路中各个元器件地参数地运算：（ 1）确定电源电压为了保证电路安全牢靠地工作，通常使电路地最大输出功率POM 比额定输出功率PO 要大一些 .一般取POM （ 1.5 2） Po我们这里设置 PO = 6w, 所以 POM 就设为 9W最大输出电压 UOM 应依据 POM 来运算电源电压必需大于UOM. 由于输出电压为最大值时，Q2 和 Q4 已接近饱和，考虑到管子地饱和压降，以及发射极电阻地降压作用，我们用下式表示电源电压和输出最大值地关系 .UOM= *VCCVCC=1/ UOM=1/ *SQRT2P0M*RL=20V式中， 称为电源利用率，一般取 =0.6 0.8这里取 =0.7要依据管子地材料，发射极电阻值和负载RL 即 R16 来选定 值.假如上述因素使输出电压降低许多时， 可选低些 .（ 2）运算功率输出级电路： 1）挑选大功率晶体管Q2 和 Q4.主要考虑三个参数，即晶体管ce 结承担地最大反向电压UBRCEO ，集电极最大电流 I 和集电极最大功耗PCM. Q2 和 Q4 承担地最大反压UCEMAX 2VCC=40V 管集电极电流，如忽视管压降就IC2MAX VCC/ （ RL+R1 ）由于 Q2 和 Q4 地射极电阻 R1 R2 选得过小，复合管稳固性差，过大又会损耗较多地输出功率 .一般取R1=R2= （ 0.05 0.1）RL如取 R1=R2=0.5 ，R1<<RL ，就IC2MAX VCC/RL 2.5A 管集电极功耗 .两管在互补工作时，单管最大集电极功耗为PC2MAX=2/ * POM 0.2POM 1.8W考虑到功率晶体管静态电流Io，实际管耗要大一些，一般IO 为 20 30mA ，所以单管最大管耗为PC2MAX 0.2POM+IOVCC所以 PC2MAX 2.4W， IO 取最大 30mA. 据功率晶体管极限参数挑选Q2 和 Q4.挑选合适地大功率晶体管，其极限参数应满意U（ BR） CEO>UCE2MAX=40V ICM>IC2MAX=2.5APCM>PC2MAX=2.4W并使两管 2，4参数尽量对称 .Q2、Q4 挑选型号为 2N5686 2= 4=13大5功. 率管仍应考虑其工作环境地温度以及散热片问题为了满意电路性能要求，并便于设计运算.2） 挑选互补管Q3 和 Q1，运算 R3,R4 和 R5.确定 R3，R4. 由于 Q2 和 Q4 输入电阻为Ri2=rbe2+1+ 2R1 Ri4=rbe4+1+ 4R2大功率晶体管 rbe2,rbe4 一般为 10 左右 .又由于要求 Q3 射极电流大部分注入Q1 基极， 所以通常取R3=510Ri2同理R4=510Ri4由于两管参数对称，所以Ri=Ri2=Ri4 120，就取R3=R4=8Ri所以 R3=R4=960故 R3=R41K运算平稳电阻R5.由于 Q3， Q1 分别是 NPN 和 PNP 两种管型，电路接法又不一样，所以两管输入阻抗不相等，会使加在两管基极地输入信号不对称，为此，需加平稳电阻 R5，以尽量保证两复合管输入电阻相等.要求R5=R3/Ri2由于 R3>>Ri2, 故可取 R5Ri2=120.挑选 Q3,Q1 分别与 Q2,Q4 复合，它们承担地最大反压相同，均为2VCC ，所以在运算集电极最大电流和最大管耗时，要考虑到R3,R4 地分流作用和晶体管内部地损耗.在工程运算中可近视认为IC3MAX=IC1MAX 1.11.5IC2MAX/2这里地系数取 1.4，所以 IC3MAX=IC1MAX1.11.5IC2MAX/ 2=26mA PC3MAX=PC1MAX 1.11.5PC2MAX/ 2=30mW挑选 Q3， Q1，使其极限参数满意UBRCEO>2VCC=40V ICM>IC3MAX=26mA PCM>PC3MAX=30mWQ3 为 NPN 型， Q1 为 PNP 型，并使 3= 1.Q为3 算偏置电路 .由于 UB3 UB1UBE3+UBE2+|UBE1|，设 UBE3=UBE2=|UBE1|=0.75V所以 UB3 UB12.25V2SC1815， Q1 为 2SA1015.又由于 Q9 接成电压负反馈型，所以其给出地偏置电压稳固，输出电阻很小，并有温度补偿作用 .由于 UCE9=UB3 UB1UBE9R8+R9/R9 设 UBE9=0.7V所以 R8+R9/R9=3 R8=2R9为了保证 Q9 基极电压稳固，取IR8= （5 10）ICQ9 其中 ICQ9 为 Q9 静态工作电流，它要依据Q5 地工作电流来确定，如忽视IR8 和 IR9 地分流作用，可以近似认为ICQ9 ICQ5，就R9=UBE9/IR8 IBQ9 UBE9/IR8 4.5K R8 2UBE9 IR8 9K为了调剂偏置电压地数值，R8 可以改用一个固定电阻和可调电阻并联，使其并联值等于 R8.Q9 管由于最大电流和耐压要求不高，可以选一般3DG 型晶体管即可 .（ 3）运算推动级电路1）确定 Q5 地工作电流 .为保证信号不失真， Q5 工作在甲类放大状态，要求ICQ5>>3IB3MAX 3IC3MAX/ 3一般取ICQ5=210mA这里取 ICQ5=8mA 2）运算 R6，R7由于 Q9 偏置电路输出阻抗很小，Q5 地直流负载主要是（ R6+R7 ），又由于UB1=-0.75v所以R6+R7=VCC-UB4/ICQ5从沟通电路来看， R7 实际与 RL 并联 .其阻值太小会损耗信号功率，太大又必定使R6 减小.R6 为共射电路有效负载， R6 太小将会使推动级地增益下降.一般取1/3*R6+R7>R7>20RL取 R7=200 ，确定 R7，就可以求出 R6=1.5K.3） 运算自举电容 C4.为了在最低工作频率时C4 地容抗远小于 R7，一般取C4=3101/2 *fL*R7式中 fL=20Hz 为下限截止频率，C4 160uF,并且 C4 采纳电解电容 .4） 挑选 Q5 管.由于 Q5 是工作在甲类放大状态，一般要求UBRCEO>UCE5MAXPCM>>VCCICQ5一般取 5VCCICQ5=1W（ 4）运算输入级电路1）确定差分管工作电流.差分管 Q6， Q7 地集电极电流太大，会增加管耗，并使失调电压和漂移增大；太小又会降低电路地开环增益，一般选IC6=IC7 0.52mA这里取 IC6=IC71mAIC8=IC6+IC7 2）运算 R10,R11 和 R12.R10=UBE5/IC7=750 为了使恒流源 VT8 地工作点稳固，应使流过VD1 ，VD2 地电流 ID>>IB8.由于 IB8=IC8/ 8.一般取 ID>3mA ，这里取 53mA.就 R11=VCC- UD1+UD2/ID 80 UD1=UD2=0.7 R12 UD1+UD2-UBE3/IC8=7503）挑选 Q6,Q7 和 Q10 管.为使差分放大电路能够稳固牢靠地工作，要求Q6,Q7 满意UBRCEO>1.2VCC PCM>5PC=5IC6VCC 6=，7并且反向电流越小越好，Q10 管亦可选用同类地晶体管.这里用小功率地高频管就可以了 .（ 5）运算反馈之路差分电路引入电压串联负反馈，使其输入电阻提高，因此基极电阻R15 对该级输入阻抗影响很大 .一般取 R15=15 47K 之间 .另外，要使电路对称，要求R13=R15. 这里 R13=R15=33K. 又由于 Auf 1+R13/R14所以R14 R13/Auf1， R14=50反馈电容 C3 应保证在下限截止频率时，其容抗仍远小于R14，一般取C3>310 · 1/2 fL，R1f4L =20HZ 这里 C3=1500Uf, 采纳电解电容 .耦合电容一般取C1>310 · 1/2 fL，R1这5里 C1=5.7uF, 为电解电容 .（ 5）补偿元件地选取为了使负载在高频时仍为纯电阻，需加补偿电阻R17 和补偿电容 C6，一般取R17 RL=8 C6=1/2 *fH*R16=1uF.这里 fH 为上限截止频率，fH=120KHZ ， C6=1uF.为了排除电路高频自激，通常在Q5 地 b、c 极之间， R15 两端加消振电容，一般取100 300PF，就取 C2 150PF， C5=300PF.以上就是整个电路地参数及元件地参数地运算过程.3.3 总地原理图四、电路仿真一级一级逐步调试，示波器A 端接输入端、 B 端接输出端，观看示波器输入及输出波形，并分析对比判定各级电路是否正确，为了保证Q10 组成地恒流源电流不至过大，保证输出波形不简单失真，增大R11 取 R11 350；最终对整体电路进行调试，经调试将R7 改为 500 ，就 R6 改为 1.2K 调.试完毕可接功率表，观看功率放大情形，转变输入电压，观看波形是否失真及功率变化情形.4.1 输入与输出波形对比输入信号频率 1KHz ，输入电压 20mV4.2 输入与输出功率对比信号功率输出功率五. PCB 版电路制作5.1 绘制原理图并导入网络表文件在 Multisim 10中按原理图绘制电路，并设置相应元件地封装.绘制好原理图后，使用“Transfer（”转换）菜单下地 “Exportto PCBLayout···（”导出到 PCB 布线软件），在弹出地对话框中挑选“Ultiboard 10 格”式，并进行命名.5.2 设置 PCB 地尺寸启动 Ultiboard10 ，新建一个工程，执行“Tools（”工具）菜单下地“BoardWizard”（电路板向导）命令，设置一个尺寸.5.3 导入网络表1 执行“ File （” 文件）菜单下地 “Import （”导入）命令，挑选 “UB Netlist （”Ulitiboard地网络表），这时会弹出挑选对话框，挑选前面生成地网络表文件，这时会弹出如下列图地网络铜膜宽度设置对话框 .系统默认地铜膜宽度为10mil ，一般适用于微小电流地数字电路，这里设置为30mil.2. 设置好铜膜宽度懊悔弹出如下列图地网络导入检查和挑选对话框.用户可以在这里检查封装是否正确，也可以挑选一些元器件不进行3. 完成上步检查后，网络表文件转换为元器件封装和连接关系显示在PCB 地布线区域 .5.4 布局元件网络表导入后，全部元器件都置于板框之外，通过挑选工具挑选相应地元器件，可以拖动到板框内进行手动布局，也可以使用自动布线地功能，使用“Autoroute ”（自动布线）菜单下地“StartAutoplacement ”（开头自动布局），这时剩余地元器件会移到板框内，并完成元器件地合理布局.5.5 自动布线完成元器件布局后就剩下最终一步自动布线，执行“Autoroute （”自动布线）菜单“ Start/ResumeAutoroute（”开头 /复原自动布线）命令就可以完成自动布线地工作.图为自动布线完成地成效.三维成效图6、设计总结为期四周地课程设计很快终止，在这几星期地学习、查资料、设计、仿真电路过程中我感受颇深 .使我对抽象地理论有了详细地熟识，更加牢靠地把握了所学地理论学问.通过这次课程设计，使我把平常做模拟电子试验所把握地学问得到更深次地明白和掌 握，对外表地使用更加地娴熟，学会了怎样去搭好一个干净美丽地电路，学会了怎样去依据课题地要求去设计电路和调试电路，仍学习了两种软件Protel、Multisim ，学会了使用这两个软件完成对电路地PCB 制版 .此次地创新试验地胜利是以经受了许多地失败为前提地 .整个设计制作独立完成，增强了自身地动手才能，使我真正地懂得了理论联系实际地重要性 .关于自己所学地学问也有了新地看法，我们只有将自己所把握地理论学问真正地运用到社会实践中去地时候，才能产生庞大地社会财宝 .课程设计是培育同学综合运用所学学问,发觉、提出、分析和解决实际问题,锤炼实践才能地重要环节 ,是对我们地实际工作才能地详细训练和考察过程.随着科学技术进展地日新月异，电子技术在生活中可以说是无处不在，因此做好电子技术课程设计是非常必要地 . 回忆起此次课程设计，至今我们仍感叹颇多，从拿到题目到完成整个电路，从理论到实践，在二十几天地日子里，可以学到许多许多地东西，不仅巩固了以前所学过地学问，而且学到了许多在书本上所没有学到过地学问,提高了自己地实际动手才能和独立摸索地才能 .在设计地过程中可以说得是困难重重，同时也发觉了好多自己地不足之处，对一些前面学过地学问懂得得不够深刻、把握得不够坚固、不能很好地娴熟地去使用所学地仿真软件 .通过这次试验，表达了团队合作地重要性和沟通地必要性.通过这次课程设计，我对电子技术有了更进一步地熟识和明白，要想学好它重在实践，所以在以后地学习过程中，我会更加注意实践操作，使自己更好地学好理论和技术.在课程设计过程中，收成学问提高才能地同时，我也学到了许多人生地哲理，懂得怎么样去制定方案，怎么样去实现这个方案，并把握了在执行过程中怎么样去克服心理上地不良心情 .因此在以后地生活和学习地过程中，我肯定会把课程设计地精神带到生活中，不畏艰巨，勇往直前！本次课程设计主要由我们三人共同完成，其间老师付出了大量地时间和精力来帮忙我们 . 不管设计作品如何，我们都会欣然接受现实，由于我们努力过了.同时我们也要诚心地感谢我们全部地老师，以及帮忙我们地同学们，要是没大家地帮忙我们或许不能顺利地完成这次地课程设计.7. 仪器外表清单电阻参数值电容参数值二极管编号R10.5C12.7uFD11N4149R20.5C2150pFD21N4149R31KC31500uFR41KC4160uFR5120 C5300pFR61.2K C61uFR7500 三极管R89KQ12SA1015R94.5K Q22N5686R103KQ32SC1815R11350 Q42N5686R12750 Q52N3251R1333KQ62N2222R1450Q72N2222R1533KQ92N2222R168Q102N2222R1788. 参考文献（1）李立主编 ,电工试验指导 .北京：高等训练出版社，2005（ 2）高吉利主编 ,电子技术基础试验与课程设计.北京：机械工业出版社，2004（3）谢云，等编著 .现代电子技术实践课程指导.北京：机械工业出版社，2003（ 4 ）李万成主编，模拟电子技术基础试验与课程设计. 北京：电子工业出版社，2001（5）高吉利主编 ,电子技术基础试验与课程设计.北京：机械工业出版社，2002