模電課程設(shè)計(jì)報(bào)告-OCL功率放大器設(shè)計(jì).doc
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1、 電子信息工程專業(yè)模電課程設(shè)計(jì)報(bào)告班 級(jí) B電子062 學(xué) 號(hào) 0610620206 姓 名 設(shè)計(jì)時(shí)間 _指導(dǎo)老師 鹽城工學(xué)院信息學(xué)院2008年10月29日目 錄第一章 課設(shè)設(shè)計(jì)目的與要求.1 11 OCL功率放大器.1 12 性能指標(biāo).1第二章 各部分電路設(shè)計(jì).2 21 直流穩(wěn)壓電源.2 22 差分放大電路.2 23 復(fù)合管放大電路.2 第三章 總體電路.3. 31總體電路分析及工作原理.5 32 設(shè)計(jì)總結(jié).6參考文獻(xiàn).7 前言摘要: 放大電路實(shí)質(zhì)上都是能量轉(zhuǎn)換電路。從能量控制的觀點(diǎn)來(lái)看,功率放大電路和電壓放大電路沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。但是,功率放大電路和電壓放大電路所要完成的任務(wù)是不同的。對(duì)電壓
2、放大電路的主要要求是使其輸出端得到不失真的電壓信號(hào),討論的主要指標(biāo)是電壓增益,輸入和輸出阻抗等,輸出的功率并不一定大。而功率放大電路則不同,它主要要求獲得一定的不失真(或失真較小)的輸出功率,因此功率放大電路包含這一系列在電壓放大電路中沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)的特殊問(wèn)題,這些問(wèn)題是:(1) 要求輸出功率盡可能大為了獲得大的功率輸出,要求功放管的電壓和電流都有足夠大的輸出幅度,因此器件往往在接近極限運(yùn)用狀態(tài)下工作。(2) 效率更高 由于輸出功率大,因此直流電源消耗的功率也大,這就存在一個(gè)效率問(wèn)題。所謂效率就是負(fù)載得到的有用信號(hào)功率和電源供給的直流功率的比值。這個(gè)比值越大,意味著效率越高。(3) 非線性失真小
3、功率放大電路是在大信號(hào)下工作,所以不可避免地會(huì)產(chǎn)生非線性失真,而且同一功放管輸出功率越大,非線性失真往往越嚴(yán)重,這就使輸出功率和非線性失真成為一對(duì)主要矛盾。但是,在不同場(chǎng)合下,對(duì)非線性失真的要求不同。例如,在測(cè)量系統(tǒng)和電聲設(shè)備中,這個(gè)問(wèn)題顯得很重要,而在工業(yè)系統(tǒng)等場(chǎng)合中,則以輸出功率為主要目的,對(duì)非線性失真的要求就降為次要問(wèn)題了。 (4)功率器件的散熱問(wèn)題 在功率放大電路中,為了輸出較大的信號(hào)功率,器件承受的電壓高。為了充分利用允許的管耗而使管子輸出足夠大的功率,放大器件的散熱就成為一個(gè)重要問(wèn)題了。此外,在功率放大電路中,為了輸出較大的信號(hào)功率,器件承受的電壓要高,通過(guò)的電流要大,功率管損壞的
4、可能性也就比較大,所以功率管的損壞與保護(hù)問(wèn)題也不容忽視。OCL功率放大器是一種一種直接耦合的功率放大器,它具有頻響寬,保真度高,動(dòng)態(tài)特性好及易于集成化等特點(diǎn)。OCL是英文Output Capacitor Less 的縮寫,意為無(wú)輸出電容。采用兩組電源供電,使用了正負(fù)電源,在電壓不太高的情況下,也能獲得比較大的輸出功率,省去了輸出端的耦合電容。使放大器低頻特性得到擴(kuò)展。OCL功放電路也是定壓式輸出電路,為釧電路由于性能比較好,所以廣泛地應(yīng)用在高保真擴(kuò)音設(shè)備中。性能優(yōu)良的集成功率放大器給電子電路功放級(jí)的調(diào)試帶來(lái)了極大地方便。為了培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力,本課題主要采用分立元件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。一、課程設(shè)計(jì)任
5、務(wù)及要求1、設(shè)計(jì)指標(biāo)采用全部或部分分立元件設(shè)計(jì)一種OCL音頻功率放大器;額定輸出功率;負(fù)載阻抗;失真度;設(shè)計(jì)放大器所需的直流穩(wěn)壓電源。2、設(shè)計(jì)要求畫(huà)出電路原理圖(或仿真電路圖);元器件及參數(shù)選擇;電路的仿真與調(diào)試;分析設(shè)計(jì)要求,明確性能指標(biāo);查閱資料、設(shè)計(jì)方案分析對(duì)比。3、制作要求論證并確定合理的總體設(shè)計(jì)方案,繪制結(jié)構(gòu)框圖。4、OCL功率放大器各單元具體電路設(shè)計(jì)??傮w方案分解成若干子系統(tǒng)或單元電路,逐個(gè)設(shè)計(jì),計(jì)算電路元件參數(shù);分析工作性能。5、完成整體電路設(shè)計(jì)及論證。6、編寫設(shè)計(jì)報(bào)告 寫出設(shè)計(jì)與制作的全過(guò)程,附上有關(guān)資料和圖紙,有心得體會(huì)。二、總體方案設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)思路功率放大器的作用是給負(fù)載R
6、l提供一定的輸出功率,當(dāng)Rl一定時(shí),希望輸出功率盡可能大,輸出信號(hào)的非線性失真盡可能小,且效率盡可能高。由于OCL電路采用直接耦合方式,為了保證工作穩(wěn)定,必須采用有效措施抑制零點(diǎn)漂移,為了獲得足夠大的輸出功率驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作,故需要有足夠高的電壓放大倍數(shù)。因此,性能良好的OCL功率放大器應(yīng)由輸入級(jí),推動(dòng)級(jí)和輸出機(jī)等部分組成。2、 OCL功放各級(jí)的作用和電路結(jié)構(gòu)特征(1) 輸入級(jí):主要作用是抑制零點(diǎn)漂移,保證電路工作穩(wěn)定,同時(shí)對(duì)前級(jí)(音調(diào)控制級(jí))送來(lái)的信號(hào)作用低失真,低噪聲放大。為此,采用帶恒流源的,由復(fù)合管組成的差動(dòng)放大電路,且設(shè)置的靜態(tài)偏置電流較小。(2) 推動(dòng)級(jí)作用是獲得足夠高的電壓放大倍數(shù),
7、以及為輸出級(jí)提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流,為此,可采帶集電極有源負(fù)載的共射放大電路,其靜態(tài)偏置電流比輸入級(jí)要大。(3) 輸出級(jí)的作用是給負(fù)載提供足夠大的輸出信號(hào)功率,可采用有復(fù)合管構(gòu)成的甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功放或準(zhǔn)互補(bǔ)功放電路。此外,還應(yīng)考慮為穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)須設(shè)置交流負(fù)反饋電路,為穩(wěn)定電壓放大倍數(shù)和改善電路性能須設(shè)置交流負(fù)反饋電路,以及過(guò)流保護(hù)電路等。電路設(shè)計(jì)時(shí)各級(jí)應(yīng)設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn),在組裝完畢后須進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試,在波形不失真的情況下,使輸出功率最大。動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí),要注意消振和接好保險(xiǎn)絲,以防損壞元器件。3、 單元電路的選擇與設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)方案利用三極管的電流控制作用或場(chǎng)效應(yīng)管的電壓控制作用將電源的功率
8、轉(zhuǎn)換為按照輸入信號(hào)變化的電流。因?yàn)槁曇羰遣煌穹筒煌l率的波,即交流信號(hào)電流,三極管的集電極電流永遠(yuǎn)是基極電流的倍,是三極管的交流放大倍數(shù),應(yīng)用這一點(diǎn),若將小信號(hào)注入基極,則集電極流過(guò)的電流會(huì)等于基極電流的倍,然后將這個(gè)信號(hào)用隔直電容隔離出來(lái),就得到了電流(或電壓)是原先的倍的大信號(hào),這現(xiàn)象成為三極管的放大作用。經(jīng)過(guò)不斷的電流及電壓放大,就完成了功率放大。先設(shè)計(jì)一個(gè)放大器所需要的12V的直流穩(wěn)壓電源,如下圖1。信號(hào)先通過(guò)差分放大電路進(jìn)行放大,如下圖2。再通過(guò)復(fù)合管進(jìn)一步放大,如下圖3。最后通過(guò)R輸出。 1、直流穩(wěn)壓電源電路圖(圖1)在電子線路中,通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源供電。小功率穩(wěn)壓電
9、源一般有電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路等四部分組成。電源變壓器是將交流電網(wǎng)220V的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?,然后通過(guò)整流電路將交流電壓變成脈動(dòng)的直流電壓。由于此脈動(dòng)的直流電壓還含有較大的紋波,必須通過(guò)濾波電路加以濾除,從而得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動(dòng)(一般有10%左右的波動(dòng))、負(fù)載和溫度的變化而變化,因而在整流、濾波電路之后,還需接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度變化時(shí),維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。當(dāng)負(fù)載和溫度變化時(shí),維持輸出直流電壓穩(wěn)定。 2、差分放大電路電路圖(圖2)差分放大電路在性能發(fā)那個(gè)面有許多有點(diǎn),是模擬集成電路的又一重要組成部分。上圖時(shí)用兩個(gè)特
10、性相同的三端器件T1、T2所組成的單端輸入的差分放大電路。圖中R0為實(shí)際電流源的動(dòng)態(tài)輸出電阻,其阻值一般很大,容易滿足R0Re(發(fā)射結(jié)電阻)的條件,這樣就可以認(rèn)為R0支路相當(dāng)于開(kāi)路,輸入信號(hào)電壓近似地均分在兩管的輸入賄賂上,如圖中體現(xiàn)了射極耦合的作用。3、 復(fù)合管放大電路電路圖(圖3) 雙極性三極管(BJT)有兩種類型:NPN型和PNP型。他們分別有三個(gè)極:發(fā)射極e、集電極c和基極b。當(dāng)BJT用作放大器件時(shí),無(wú)論是NPN型還是PNP型,都應(yīng)將他們的發(fā)射結(jié)加爭(zhēng)先偏置電壓,集電結(jié)加反向偏置電壓。以NPN管為例,其工作原理是:(1) 發(fā)射結(jié)向基區(qū)擴(kuò)散載流子,形成發(fā)射極電流 IE(2) 載流子在基區(qū)擴(kuò)
11、散與復(fù)合,形成復(fù)合電流IBN(3) 集電區(qū)手機(jī)載流子,形象橫集電極電流 ICBJT共射極連接時(shí)的V-I特性曲線 (1) 輸入特性 上圖是NPN型硅BJT共射極連接時(shí)的輸入特性曲線。圖中示出了VCE分別為0V,1V三種情況下的輸入特性曲線。因?yàn)榘l(fā)射結(jié)正偏,所以BJT的輸入特性曲線與半導(dǎo)體二極管的正向特性曲線相似,但隨著VCE的增加,特性曲線向右移動(dòng)。即當(dāng)VBE一定時(shí),隨著VCE的增加,IB將減小。 (2) 輸出特性上圖是NPN型硅BJT共射極連接時(shí)的輸出特性曲線。圖中BJT有三個(gè)工作區(qū)域:放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)。(1) 放大區(qū):在截止區(qū)以上,介于飽和區(qū)與擊穿區(qū)之間的區(qū)域?yàn)榉糯髤^(qū)。在此區(qū)域內(nèi),特性
12、曲線近似于一簇平行等距的水平線,iC的變化量與iB的變量基本保持線性關(guān)系,即iC=iB,且iC iB。VBE對(duì)iC的影響由基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)產(chǎn)生,即VBE增加時(shí),基區(qū)有效寬度減小,載流子在基區(qū)的復(fù)合機(jī)會(huì)減少,使電流放大系數(shù)略有增加,在保持iB不變的情況下,iC將隨VBE的增大而略有增大。 在放大區(qū),三極管的發(fā)射結(jié)處于正向偏置,集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。(2)飽和區(qū):指綠色區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi),對(duì)應(yīng)不同iB值的輸出特性曲線簇幾乎重合在一起。也就是說(shuō),VBE較小時(shí),iC雖然增加,但iC增加不大,即iB失去了對(duì)iC的控制能力。這種情況,稱為三極管的飽和。飽和時(shí),三極管的發(fā)射給和集電結(jié)都處于正向偏置狀態(tài)。三極
13、管集電極與發(fā)射極間的電壓稱為集一射飽和壓降,用VCES表示。VCES很小,通常中小功率硅管VCES0.5V;三極管基極與發(fā)射極之間的電壓稱為基一射飽和壓降,以VCES表示,硅管的VCES在08V左右。(3) 截止區(qū):指IB=0的那條特性曲線以下的區(qū)域。在此區(qū)域里,三極管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于反向偏置狀態(tài),三極管失去了放大作用,集電極只有微小的穿透電流IcEO。2、確定工作電壓為了達(dá)到輸出功率10W的設(shè)計(jì)要求,同時(shí)使電路安全可靠地工作,電路的最大輸出功率P應(yīng)比設(shè)計(jì)指標(biāo)大些,一般取P(1.52)P。即本設(shè)計(jì)中電路的最大輸出功率應(yīng)按68W來(lái)考慮。 由于是 P=U因此,最大輸出電壓為 U=考慮到輸出功
14、率管V2,V4的飽和壓降和發(fā)射極電阻R10,R11的壓降,電源電壓常取 V=(1.21.5)U3、功率輸出級(jí)的設(shè)計(jì) (1)輸出功率管的選擇輸出功率管V4,V6為同類型的NPN型大功率管,其承受的最大反向電壓U2V,每個(gè)管的最大集電極電流為IV/R14+R,每個(gè)管的最大集電極功耗為P0.2P。(2)復(fù)合管的選擇 V1,V3分別與V2,V4組成復(fù)合管,它們承受的最大電壓均為2 V,考慮到R7,R8的分流作用和晶體管的損耗,在估算V1,V3的集電極最大電流和最大管耗時(shí),可近似為 I= I(1.11.5) P=P(1.11.5)(3)電阻R6-R11的估算 R7,R8用來(lái)減小復(fù)合管的穿透電流,其值太小
15、會(huì)影響復(fù)合管的穩(wěn)定性,太 大又會(huì)影響輸出功率,一般取R7=R8=(5-10)Ri2。Ri2為V2管輸入端的等效輸入電阻,其大小為Ri2=r+(1+)R10(大功率管的 r約為10歐)輸出管V2,V4的發(fā)射極電阻R10,R11用于獲得電流負(fù)反饋?zhàn)饔?,使電路工作更加穩(wěn)定,一般取R10=R11=(0.050.1)R。 由于V1,V3管的類型不同,接法也不一樣,因此兩管的輸入阻抗不一樣,會(huì)使加到V1,V3的基極輸入端的信號(hào)不對(duì)稱。為此,加R6,R9作為平衡電阻,使兩管的輸入電阻相等。(4) 確定偏置電路為了克服交越失真,二極管V8,V9和R7,R8共同組成輸出級(jí)的偏置電路,以使輸出級(jí)工作于甲乙類狀態(tài)。
16、其中V8,V9選擇與復(fù)合管V4,V5相同材料的硅二極管,可獲得較好的的溫度補(bǔ)償作用。四、總電路圖及其工作原理工作原理:1用差分放大輸入級(jí)抑制零漂,如前所述,為了使R在靜態(tài)時(shí)沒(méi)有直流電流通過(guò),即A點(diǎn)的靜態(tài)直流電位為零,所以采用正,負(fù)對(duì)稱的兩個(gè)小電源(+V,-V)。但是溫度的變化又會(huì)引起零漂,所以應(yīng)采用差分放大器作為輸入級(jí),用它來(lái)抑制A點(diǎn)電位因受溫度等因素影響而產(chǎn)生的零漂。2其他元器件的作用。V3管為激勵(lì)級(jí),它把V1管輸出信號(hào)再進(jìn)行一次放大后去推動(dòng)功率輸出級(jí)的功放管工作,故該級(jí)又稱為推動(dòng)級(jí)。C5是高頻負(fù)反饋電容,防止V3高頻自激。3R7,V8,V9為功放管提供靜態(tài)偏置,防止交越失真,把V4,V5基
17、極直流電信分開(kāi),并利用V8,V9補(bǔ)償功放管的溫度特性,以穩(wěn)定功放管的基極偏流。4R5,C3,R6組成電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。C3對(duì)低頻信號(hào)短路,分壓比R6/(R5+R6)為反饋系數(shù),R6越大,反饋量越大,反饋越強(qiáng)。分壓比適當(dāng)則既可減小信號(hào)非線性失真,又不致造成放大器增益下降太多。5R16,C6稱中和電路,防止由于感性負(fù)載而引起高頻自激。6R4,C2是差動(dòng)放大器的電源濾波電路。7C4稱自舉電容,用來(lái)提高功率輸出級(jí)的增益。由圖可知,當(dāng)輸入信號(hào)u1為正半周時(shí),經(jīng)V1,V2和V3次放大并反相,u也為正半周,則V4,V6復(fù)合管導(dǎo)通,信號(hào)放大后經(jīng)R14,R,地,+V返回V4,V6形成回路,在負(fù)載R上有放大了的
18、正半周電流i通過(guò),其方向如圖中的實(shí)線所示。同理可知負(fù)半周上的i通過(guò),如圖中虛線所示。這樣輪流推挽工作,在R上就獲得功率放大后的完整信號(hào)。五、總結(jié)課設(shè)的過(guò)程是艱辛的,但是收獲是巨大的。首先,我們?cè)僖淮蔚募由铎柟塘藢?duì)已有的知識(shí)的理解及認(rèn)識(shí);其次,我們第一次將課本知識(shí)運(yùn)用到了實(shí)際設(shè)計(jì),使得所學(xué)知識(shí)在更深的層次上得到了加深。再次,因?yàn)檫@次課程設(shè)計(jì)的確在某些方面存有一定難度,這對(duì)我們來(lái)講都是一種鍛煉,培養(yǎng)了我們自學(xué)、查閱搜集資料的能力;再有,計(jì)算操作過(guò)程中,我們?cè)?jīng)面臨過(guò)失敗、品味過(guò)茫然,但是最終我們還是堅(jiān)持下來(lái)了,這就是我們意志、耐力和新年上的勝利,在今后的日子里,它必將成為我們的寶貴財(cái)富。參考文獻(xiàn):1. 陸 坤 張義中電子科技大學(xué)出版 1998.102. 張飛碧 項(xiàng) 鈺機(jī)械工業(yè)出版社 2004.73. 陳永莆電子工業(yè)出版社 2000.14. 何希才科技出版社5. 張英全 劉蕓 樊愛(ài)華機(jī)械工業(yè)出版社
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