OCL低频功率放大器设计报告(22页).doc

-OCL低频功率放大器设计报告-第 - 17 - 页目 录1设计的目的及任务（1）1.1 课程设计的目的（1）1.2 课程设计的任务（1）1.3 课程设计的要求及技术指标（1）2 OCL低频信号放大器的总方案及原理框图（1） 2.1 系统概述（1） 2.2方案选择及原理框图（3） 3 各部分电路设计（6） 3.1各个单元电路的设计（6）3.2电路的参数选择及计算（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 绘制原理图并到处网络表文件（19）5.2 设置PCB的尺寸（19）5.3 导入网络表（20）5.4布局元件（21）5.5自动布线（21） 6实验总结（23） 7仪器仪表明细清单（25） 8 参考文献（26）一课程设计的目的和设计的任务1.1 设计目的（1） 进一步熟悉和掌握模拟电子电路的设计方法和步骤掌 （2） 进一步理解功率放大器的结构、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20HZ20KHZ。1.3课程设计要求 1 完成全电路的理论设计2. 参数的计算和有关器件的选择 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 （1） 总体方案的选择和设计（2） 各个单元电路的选择和设计（3） 仿真过程的实现 二. OCL低频信号放大气的总方案及原理框图2.1系统概述功率放大器是以向负载输出一定功率为主要目的的放大电路。所谓功率放大，只是把直流供电电源的能量转换为放大器输出的能量。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）、无变压器平衡输出（BTL）等。多级放大电路有四种常见的耦合方式：直接耦合类、阻容耦合类、变压器耦合类和光电耦合类。直接耦合的特点：（1）可以放大交流和缓慢变化的直流信号（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的特点：（1）只能放大交流不能放大缓慢变化的信号（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）只能放大交流不能放大缓慢变化的信号（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，抗干扰能力强（2）具有较强的放大能力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的共模抑制比和高输入阻抗，所以输入级通常采用带有射级恒流源、温度漂移小、内部参数匹配性能好和易于补偿的差动放大电路。输入级电路的主要作用是在尽可能小的温度漂移和输入电源下，得到尽可能大的输入电阻和输入电压的变化范围，它是抑制温度漂移的关键一级，对于整个电路指标的优劣起着关键的作用，多采用差分放大电路。 推动级推动级的任务是把微弱的信号加以放大，用以推动功放输出级它工作在小信号状态下，要有最够高的电压增益，实现电平移位，并且有从双端输入到单端输出的转换功能，所以一般采用共射级放大电路。 功率放大电级功率放大电路用以输出足够大的输出功率。功率的定义是电压和电流的乘积。故一个足够大的功率放大电路，不仅要有足够大的输出电流幅度，还要有足够大的输出电压幅度。 偏执电路其主要作用是为各级电路供给稳定的、合适的偏置电流，决定各级电路的Q点，使功放尽可能少受温度和电源电压变动的影响。当然在这里，偏置电路就可以认为是供电电路。 辅助电路保护电路主要是为了保护电路能在适当的条件下安全的工作。比如电路的过流保护，以及过热保护和过压保护等，这类电路在整个电路的正常工作中有重要的作用，它体现了设计者设计电路的周密性，完整性。2.2方案选择及原理框图甲类功率放大电路，支流输出电阻小，带负载能力强，但有用功效率比较低,一般用于信号源的推动放大。乙类功率放大电路，虽然管耗损少有利于提高效率，但存在严重的波形失真，输出信号的半个波形被消耗掉了，一般使用时是用互补的两个管子交替工作输出，加装一定的偏置电路后可以克服管子的交越失真，使之完整的输出放大信号。最常用的是甲乙类工作电路，他结合了甲类功放电路和乙类功放电路的优点，使之更好的放大信号。当然还有丙类和丁类工作状态的电路，这里不做介绍。本次课程设计使用的就是这种改进的OCL电路。（1）OTL电路无输出变压器的功率放大电路，用一个大容量电容取代了变压器。采用单电源供电，T1和T2管为共射级的接法，。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，不加辅助电路会出现交越失真，使放大的效果变差。三极管的承受的电压较低，不易集成。当增大到一定程度时，由于两个极板的面积很大，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：(2)OCL放大电路它采用双电源供电，T1和T2均构成共射级的接法，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，管子承受电压比OTL的管子要大。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：功 率放大级信号源推动级输入级本次课程设计设计的是OCL低频功率放大电路，主要有以下几部分组成：三各组成部分的工作原理3.1各个单元电路的设计：输入级的设计：输入级是由Q6、Q7、Q10组成带有恒流源的差分放大电路，减小了电路的零点漂移，并且引入了深度直流负反馈，进一步稳定输出A点的静态电平。对于交流信号，因为C2足够大，可视为短路，所以其反馈系数F=R14/(R14+R13)，适当选择R14的数值，可以得到满意的电压增益。输入级的电路如下图所示：接推动级接反馈 信号输入输入与输出信号对比（2） 推动级的设计： 采用Q5组成普通共射电路。为了扩大输出管的范围，本级加了自举电容C4。在信号的负半轴内，通过C4反馈，可为Q1提供足够的基极电流，保证Q1、Q4充分导通。推动级的电路图如下图所示：信号输入接功率放大级前后信号对比（3）功率输出级的设计： 功率输出级是由Q1，Q2，Q3，Q4组成的复合管准互补对称电路，可以得到较大的输出功率。电阻R1，R2，R3，R4用来减小复合管的穿透电流，增加电路的稳定性。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的电流，以克服交越失真。功率输出级电路如下图所示：经推动级放大后的信号输入前后信号对比3.2电路中各个元器件的参数的计算： （1）确定电源电压为了保证电路安全可靠的工作，通常使电路的最大输出功率POM比额定输出功率PO要大一些。一般取 POM（1.52）Po我们这里设置PO = 6w, 所以POM就设为9W最大输出电压UOM应根据POM来计算 电源电压必须大于UOM。因为输出电压为最大值时，Q2和Q4已接近饱和，考虑到管子的饱和压降，以及发射极电阻的降压作用，我们用下式表示电源电压和输出最大值的关系。 UOM=*VCC VCC=(1/)UOM=1/*SQRT(2P0M*RL)=20V式中，称为电源利用率，一般取 =0.60.8这里取=0.7要根据管子的材料，发射极电阻值和负载RL即R16来选定值。如果上述因素使输出电压降低很多时，可选低些。 （2）计算功率输出级电路： 1）选择大功率晶体管Q2和Q4。 主要考虑三个参数，即晶体管ce结承受的最大反向电压U(BR)CEO，集电极最大电流I和集电极最大功耗PCM。 Q2和Q4承受的最大反压 UCEMAX2VCC=40V 管集电极电流，若忽略管压降则 IC2MAXVCC/（RL+R1） 因为Q2和Q4的射极电阻R1 R2选得过小，复合管稳定性差，过大又会损耗较多的输出功率。一般取 R1=R2=（0.050.1）RL 若取R1=R2=0.5，R1<<RL，则 IC2MAXVCC/RL2.5A 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/*)POM0.2POM1.8W 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2030mA，所以单管最大管耗为 PC2MAX0.2POM+IOVCC所以PC2MAX2.4W，IO取最大30mA。 据功率晶体管极限参数选择Q2和Q4。选择合适的大功率晶体管，其极限参数应满足 U（BR）CEO>UCE2MAX=40V ICM>IC2MAX=2.5A PCM>PC2MAX=2.4W 并使两管24，参数尽量对称。Q2、Q4选择型号为2N5686(2=4=135)。大功率管还应考虑其工作环境的温度以及散热片问题为了满足电路性能要求，并便于设计计算。 2）选择互补管Q3和Q1，计算R3,R4和R5。 确定R3，R4。因为Q2和Q4输入电阻为 Ri2=rbe2+(1+2)R1 Ri4=rbe4+(1+4)R2 大功率晶体管rbe2,rbe4一般为10左右。又因为要求Q3射极电流大部分注入Q1基极，所以通常取 R3=(510)Ri2同理 R4=(510)Ri4因为两管参数对称，所以Ri=Ri2=Ri4120，则取 R3=R4=8Ri所以R3=R4=960 故 R3=R41K 计算平衡电阻R5。因为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，会使加在两管基极的输入信号不对称，为此，需加平衡电阻R5，以尽量保证两复合管输入电阻相等。要求 R5=R3/Ri2因为R3>>Ri2,故可取R5Ri2=120。选择Q3,Q1分别与Q2,Q4复合，它们承受的最大反压相同，均为2VCC，所以在计算集电极最大电流和最大管耗时，要考虑到R3,R4的分流作用和晶体管内部的损耗。在工程计算中可近视认为 IC3MAX=IC1MAX(1.11.5)IC2MAX/2这里的系数取1.4，所以IC3MAX=IC1MAX(1.11.5)IC2MAX/2=26mA PC3MAX=PC1MAX(1.11.5)PC2MAX/2=30mW选择Q3，Q1，使其极限参数满足 U(BR)CEO>2VCC=40V ICM>IC3MAX=26mA PCM>PC3MAX=30mWQ3为NPN型，Q1为PNP型，并使3=1。Q3为2SC1815，Q1为2SA1015。 算偏置电路。因为UB3UB1UBE3+UBE2+|UBE1|，设 UBE3=UBE2=|UBE1|=0.75V所以 UB3UB12.25V又因为Q9接成电压负反馈型，所以其给出的偏置电压稳定，输出电阻很小，并有温度补偿作用。因为 UCE9=UB3UB1UBE9(R8+R9)/R9(设UBE9=0.7V)所以 (R8+R9)/R9=3 R8=2R9为了保证Q9基极电压稳定，取IR8=（510）ICQ9(其中ICQ9为Q9静态工作电流，它要根据Q5的工作电流来确定，若忽略IR8和IR9的分流作用，可以近似认为ICQ9ICQ5)，则 R9=UBE9/(IR8IBQ9)UBE9/IR84.5K R82UBE9IR89K为了调节偏置电压的数值，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管因为最大电流和耐压要求不高，可以选普通3DG型晶体管即可。 （3）计算推动级电路1）确定Q5的工作电流。为保证信号不失真，Q5工作在甲类放大状态，要求 ICQ5>>3IB3MAX3IC3MAX/3一般取 ICQ5=210mA这里取ICQ5=8mA2）计算R6，R7因为Q9偏置电路输出阻抗很小，Q5的直流负载主要是（R6+R7），又因为 UB1=-0.75v所以 R6+R7=(VCC-UB4)/ICQ5从交流电路来看，R7实际与RL并联。其阻值太小会损耗信号功率，太大又必然使R6减小。R6为共射电路有效负载，R6太小将会使推动级的增益下降。一般取 (1/3)*(R6+R7)>R7>20RL取R7=200，确定R7，则可以求出R6=1.5K. 3）计算自举电容C4。 为了在最低工作频率时C4的容抗远小于R7，一般取 C4=(310)1/2*fL*R7 式中fL=20Hz为下限截止频率，C4160uF,并且C4采用电解电容。 4）选择Q5管。 因为Q5是工作在甲类放大状态，一般要求 U(BR)CEO>UCE5MAX PCM>>VCCICQ5(一般取5VCCICQ5=1W)（4）计算输入级电路 1）确定差分管工作电流。差分管Q6，Q7的集电极电流太大，会增加管耗，并使失调电压和漂移增大；太小又会降低电路的开环增益，一般选 IC6=IC7(0.52)mA这里取IC6=IC71mA IC8=IC6+IC72）计算R10,R11和R12。 R10=UBE5/IC7=750为了使恒流源VT8的工作点稳定，应使流过VD1，VD2的电流ID>>IB8。因为IB8=IC8/8。一般取ID>3mA，这里取53mA。则R11=VCC-(UD1+UD2)/ID80 (UD1=UD2=0.7)R12(UD1+UD2-UBE3)/IC8=7503）选择Q6,Q7和Q10管。为使差分放大电路能够稳定可靠的工作，要求Q6,Q7满足 U(BR)CEO>1.2VCC PCM>5PC=5(IC6VCC)6=7，并且反向电流越小越好，Q10管亦可选用同类的晶体管。这里用小功率的高频管就可以了。 （5）计算反馈之路 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=1547K之间。 另外，要使电路对称，要求R13=R15。这里R13=R15=33K。 又因为 Auf1+R13/R14 所以 R14R13/(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)·1/2fLR14，fL =20HZ这里C3=1500Uf,采用电解电容。 耦合电容一般取 C1>(310)·1/2fLR15，这里C1=5.7uF, 为电解电容。 （5）补偿元件的选取 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。为了消除电路高频自激，通常在Q5的b、c极之间，R15两端加消振电容，一般取100300PF，则取C2150PF，C5=300PF。以上就是整个电路的参数及元件的参数的计算过程。3.3总的原理图四、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，观察示波器输入及输出波形，并分析对比判断各级电路是否正确，为了保证Q10组成的恒流源电流不至过大，保证输出波形不容易失真，增大R11取R11350；最后对整体电路进行调试，经调试将R7改为500，则R6改为1.2K。调试完毕可接功率表，观察功率放大情况，改变输入电压，观察波形是否失真及功率变化情况。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，并设置相应元件的封装。绘制好原理图后，使用“Transfer”（转换）菜单下的“Export to PCBLayout···”（导出到PCB布线软件），在弹出的对话框中选择“Ultiboard 10”格式，并进行命名。 5.2 设置PCB的尺寸启动Ultiboard 10 ，新建一个项目，执行“Tools”（工具）菜单下的“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）菜单下的“Import”（导入）命令，选择“UB Netlist”（Ulitiboard 的网络表），这时会弹出选择对话框，选择前面生成的网络表文件，这时会弹出如图所示的网络铜膜宽度设置对话框。系统默认的铜膜宽度为10mil，一般适用于微小电流的数字电路，这里设置为30mil。2.设置好铜膜宽度后悔弹出如图所示的网络导入检查和选择对话框。用户可以在这里检查封装是否正确，也可以选择一些元器件不进行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的布线区域。5.4布局元件网络表导入后，所有元器件都置于板框之外，通过选择工具选择相应的元器件，可以拖动到板框内进行手动布局，也可以使用自动布线的功能，使用“Autoroute”（自动布线）菜单下的“Start Autoplacement”（开始自动布局），这时剩余的元器件会移到板框内，并完成元器件的合理布局。5.5自动布线完成元器件布局后就剩下最后一步自动布线，执行“Autoroute”（自动布线）菜单“Start/Resume Autoroute”（开始/恢复自动布线）命令就可以完成自动布线的工作。图为自动布线完成的效果。三维效果图6、设计总结为期四周的课程设计很快结束，在这几星期的学习、查资料、设计、仿真电路过程中我感触颇深。使我对抽象的理论有了具体的认识，更加牢靠的掌握了所学的理论知识。通过这次课程设计，使我把平时做模拟电子实验所掌握的知识得到更深次的了解和掌握，对仪表的使用更加的熟练，学会了怎样去搭好一个整洁漂亮的电路，学会了怎样去根据课题的要求去设计电路和调试电路，还学习了两种软件Protel、Multisim，学会了使用这两个软件完成对电路的PCB制版。此次的创新实验的成功是以经历了无数的失败为前提的。整个设计制作独立完成，增强了自身的动手能力，使我真正的理解了理论联系实际的重要性。关于自己所学的知识也有了新的看法，我们只有将自己所掌握的理论知识真正的运用到社会实践中去的时候，才能产生巨大的社会财富。 课程设计是培养学生综合运用所学知识 ,发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对我们的实际工作能力的具体训练和考察过程。随着科学技术发展的日新月异，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十分必要的。 回顾起此次课程设计，至今我们仍感慨颇多，从拿到题目到完成整个电路，从理论到实践，在二十几天的日子里，可以学到很多很多的东西，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识,提高了自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中可以说得是困难重重，同时也发现了好多自己的不足之处，对一些前面学过的知识理解得不够深刻、掌握得不够牢固、不能很好的熟练的去使用所学的仿真软件。通过这次实验，体现了团队合作的重要性和交流的必要性。通过这次课程设计，我对电子技术有了更进一步的认识和了解，要想学好它重在实践，所以在以后的学习过程中，我会更加注重实践操作，使自己更好地学好理论和技术。在课程设计过程中，收获知识提高能力的同时，我也学到了很多人生的哲理，懂得怎么样去制定计划，怎么样去实现这个计划，并掌握了在执行过程中怎么样去克服心理上的不良情绪。因此在以后的生活和学习的过程中，我一定会把课程设计的精神带到生活中，不畏艰难，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的时间和精力来帮助我们。不管设计作品如何，我们都会欣然接受现实，因为我们努力过了。同时我们也要衷心地感谢我们所有的老师，以及帮助我们的同学们，要是没大家的帮助我们也许不能顺利的完成这次的课程设计。7.仪器仪表清单电阻参数值电容参数值二极管编号R10.5C12.7uFD1 1N4149R20.5C2150pFD21N4149R31KC31500uFR41KC4160uFR5120C5300pFR61.2KC61uFR7500三极管R89KQ12SA1015R94.5KQ22N5686R103KQ32SC1815R11350Q42N5686R12750Q52N3251R1333KQ62N2222R1450Q72N2222R1533KQ92N2222R168Q102N2222R1788参考文献 （1）李立主编,电工实验指导.北京：高等教育出版社，2005（2）高吉祥主编,电子技术基础实验与课程设计.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，模拟电子技术基础实验与课程设计。北京：电子工业出版社，2001（5）高吉祥主编,电子技术基础实验与课程设计.北京：机械工业出版社，2002