模电课程设计报告

模电课程设计报告 It was last revised on January 2, 2021

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;

目录

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

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:P o=8W

③负载电阻:R L=8Ω

④非线性失真尽量小

⑤输入信号:U i<=100mv

3、设计要求

（1）进行方案论证及方案比较

（2）分析电路的组成及工作原理

（3）进行单元电路设计计算

（4）画整机电路图

（5）写出元件明细表

（6）小结和讨论

（7）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。

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R l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）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Output Capacitor Less 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。

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。

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P om ≈（～2）P o 。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 =

L

R 21U 2

OM 因此，最大输出电压为 U OM =L OM R P 2

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 =（—）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V 4，V 6为同类型的NPN 型大功率管，其承受的最大反向电压U m ax CE ≈2V CC ，每个管的最大集

电极电流为I max

CM≈V CC/R14+R L，每个管的最大集

电极功耗为P m ax

C

≈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2 V CC,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 m ax C = I m ax

C≈—

2

max

β

C

I

P m ax

C =P m ax

C

≈—

2

max

β

C

P

③电阻R6-R11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)R i2。R i2为V2管输入端的等效输入电阻，

其大小为R i2=r2

be

+（1+β）R10（大功率管的 r约为10欧）输出管V2，V4的发射极电阻R10，R11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=

（—）R

L

。

由于V1，V3管的类型不同，接法也不一样，因此两管的输入阻抗不一样，会使加到V1，V3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V8，V9和R7，R8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

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=Ω; R2=Ω;

R3=47KΩ; R7=Ω;

R8=1KΩ(电位器)：

R9=10ΩK； R10=22Ω;

R11=220Ω; R12=22Ω;

R13=220Ω; R14=Ω;

R16=8Ω;

电容：

C1=C2=10μF;

C4=C5=220μF;

C6=C7=μF

四、总电路图及其工作原理

工作原理：

1．用差分放大输入级抑制零漂，如前所述，为了使R

在静态时没有直流电流通过，即A点的静态直流

L

，电位为零，所以采用正，负对称的两个小电源（+V

CC

-V

）。但是温度的变化又会引起零漂，所以应采用差CC

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V3高频自激。

3．R7，V8，V9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R6/（R5+R6）为反馈系数，R6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。

5．R16，C6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．C4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U1为正半周时，经V1，V2和V3次放大并反相，u

3c

也为正半周，则V4，V6复合管

导通，信号放大后经R14，R

L ，地，+V

CC

返回V4，V6形

成回路，在负载R

L

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i2通

过，如图中虚线所示。这样轮流推挽工作，在R

L

上就获得功率放大后的完整信号。

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P0大一些，一般取P om=（到2）P0。故

P om=×8= W

所以，最大输出电压U om应该根据P om来计算，即，

U om=√2P om R L=√2××8=

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

V cc=1/η×U om=1/×=22V

式中：η—电源利用系数，一般取η=到.

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T4、T5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 ≈2V CC≈44V.

第二章每管最大集电极电流为 I cm≈V CC/R L≈

第三章单管最大集电极功耗为 P CM ≈≈

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 BU CEO＞ U CEM

I CM ＞ I cm

P CM ＞ P cm

因此，选T4，T5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R19，R20，R21

①确定R19,R20,R21

由于功放管参数对称,它们的输入电阻为：

R i = r be＝200+（1+β）26mv/I c=Ω

要使互补管的输出电流大部分注入功放管的基极，通常取

R19 = R21=（5--10）R i=6×=1203Ω

平衡电阻R20可按R19/10=Ω，选取R18=R20=Ω。

②选取互补管T2,T3

因为T2,T3分别于T4,T5组成复合管，它们承受的最大反向电压相同（均为2V cc）,而集电极最大电流和最大功耗科近似认为

I cm≈ /β=×15/50=0.39 A

P cm ≈0.26 A其中：I c4 P cm4—功放管（T4,T5）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I R16大于互补管的基极电流I Bm,即

I R16＞I Bm＝I cm/β(一般取I R16＝

式中，I Bm，β分别为互补管的集电极最大电流和电流放大系数，而

I R16＝（V cc－U BE2－U BE4）/R16＝（V cc－－）/R16，所以R16的阻值应为（V cc－）/I R16，而R17的阻值和R16相等。

故：取I R16＝=×50=

R16=（V cc－）/I R16 =（）/=Ω

R17=R16= kΩ

3. 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A um3;其大小由闭环负反馈决定

A um3＝1＋R f/R14

R14阻值不要过小，一般为1~2kΩ左右，于是反馈电阻R f的大小也就确定了。

故：R f=（A um3 -1）R14 = 24 kΩ

4 元件明细表

R16 kΩ R17 kΩ

R18Ω R20 Ω

R19 1203Ω R21 1203Ω

T2 3AD4 T3 3AD5

T4 3AD18A T5 3AD18C

六、总结

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，不但巩固了所学知识，也使我们把理论与实践从真正意义上结合起来，增强了学习的兴趣，考验了我们借助互联网络搜集、查阅相关文献资料，和组织材料的综合能力。

在进行一个综合性的设计时，要全面考虑问题，如想用其他信号来控制一个信号，就要考虑到和这个信号直接或间接关系的信号，必须是最重要相关的信号，然后用真值表来解决他们的关系，通过门电路来实现。当我们拿到一个课题时，一定要先仔细分析要求，然后做出总体设计方案，再进一步细化各单元电路，最后将整个电路组合在一起，画出最终的逻辑电路图课设的过程是艰辛的，但是收获是巨大的。首先，我们再一次的加深巩固了对已有的知识的理解及认识；其次，我们第一次将课本知识运用到了实际设计，使得所学知识在更深的层次上得到了加深。再次，因为这次课程设计的确在某些方面存有一定难度，这对我们来讲都是一种锻炼，培养了我们自学、