OCL功率放大器专业课程设计讲解.doc

课 程 实 习 报 告

实习名称： 电子技术课程设计
学生姓名： 师凯
学 号：
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指导老师： 杨峰
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OCL
功
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大
器

目录

第一章OCL功率放大器设计方案论证、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、
1.1OCL功率放大器应用意义、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、
1.2OCL功率放大器设计要求及参数、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、
1.3设计方案论证、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、
1.4总体设计方案图及分析、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、
第二章OCL功率放大器各单元电路设计、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、
2.1直流稳压电源设计、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、
2.2前置放大级设计、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、
2.3功率放大器设计、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、
第三章OCL功率放大器整体电路设计、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、
3.1整体电路图及工作原理、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、
3.2电路参数计算、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、
3.3整体电路性能分析、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、
3.4元器件清单列表、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、
第四章 设计总结、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、

致谢、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、

参考文件、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、

第一章OCL功率放大器设计方案论证
1.1 OCL功率放大器应用意义
OCL（Output Capacitorless 无输出电容器）电路是采取正负极两组对称电源供电，没有输出电容器直接耦合电路，负载接在两只输出管中点和电源中点。OCL功率放大器是在OTL功率放大器基础上发展起来一个全频带直接耦合低功率放大器，它高保真扩音系统中得到了广泛应用。
1.2 功率放大器设计要
设计参数：
1、采取全部或部分分立元件设计一个OCL音频功率放大器。
2、额定输出功率P0>=10W
3、负载阻抗RL=8Ω
4、失真度r<=3%
5、设计放大器所需直流稳压电源。
设计要求：
1、分析设计要求，明确性能指标。必需仔细分析课题要求、性能、指标及应 用环境等，广开思绪，构思出多种总体方案，绘制结构框图。
2、确定合理总体方案。对多种方案进行比较，以电路优异性、结构繁简、成本高低及制作难易等方面作综合比较，并考虑器件起源，敲定 可行方案。
3、设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐一设计。
4、组成系统。在一定幅面图纸上合理布局，通常是按信号流向，采取左 进右出规律摆放各电路，并标出必需说明。
1.3设计方案论证
依据本课题要求，我们所设计低功率放大器应由以下几部分组成：直流稳压电源、前置放大及功率放大。以下逐一加以设计及论证。
电源部分
本设计电源经过变压器变为25V交流电，经整流滤波得到+31V直流电；同时直流电再经三端集成稳压电路输出+15V,供给前置放大电路和功率放大器使用。
信号放大部分
前置放大电路采取低噪声双运放，分别以相同放大方法，作为左右通 道信号放大。
功率放大电路由三部分组成：输入级、推进级和输出级。输入级由有两 个三极管组成差分放大电路，推进级由一个三极管组成，输出级由两个三极 管对称组成。两输出管分别由正、负两组电源供电，扬声器直接接在两输出 管输出端和地之间，同时应使本功放工作在甲乙类状态。
1.4 总体设计方案框图及分析
总体设计方案框图（图1-1所表示）

图1-1

分析:本设计釆用市电供电，将市电220V经过变压器变成+24V直流电,供前置放大器和功率放大器使用。输入信号经过前置放大电路进行初步放大,再经过功率放大器进行深入放大。最终经过输出端输出，即得到所需。
第二章 OCL功率放大器各单元电路设计

2.1 直流稳压电源设计
220V市电经变压器输出两组独立25V交流电，大电容滤波得到+35V直流电，再加一个0.1uf小电容滤除电源中高频分量。考虑到制作过程中电源空载时电容放电可在输出电容并上1K大功率电阻。另外这组直流电还要传给7824、7924来取得+24V。
万一输入端短路，大电容放电会使稳压块因为反电流冲击而损坏，加两个二极管可使反相电流流向输入端起到保护作用。（图2-1所表示）

图2-1
2.2 前置放大级设计

图2-2

前端放大功效是完成小信号电压放大任务、提升信噪比，其失真度和噪声对系统影响最大，是应该优先考虑指标。我采取双运放NE5532(图2-2所表示)。实际制作中将它接成同相放大形式，运放反相端串联47uf电解电容，让交流信号全反馈，信号放大倍数1+Rf/R0,其中Rf化为反馈电阻，在其上并联一个小电容抑制自激震荡，R0为负反馈对地电阻。为了实现愈加好对信号放大，我将放大倍数定位30dB左右，取Rf=76K、R0=2.5K、Avf=1+76/2.5=31.4dB,因为NE5532需要+3V~+22V电源，所以在三端稳压块7815、7915供给+24V上加入两个电阻分压，电源用10uf、0.1uf电容去耦合。

2.3 功率放大器设计

图2-3

此功率放大器由三部分组成：输入级、驱动级和输出级。其中VT1和VT2组成差分式输入级电路,VT3管组成推进级,VT4和VT5是推挽互补对称输出级。
电路中R4和C2是VT1和VT2电源滤波电路；R5、R6和C3是负反馈网络；C4是高频负反馈电容；VD1是VT4和VT5静态偏置二极管；C5是高频自励消除电容；R7用于调整复合管微导通状态；R8、R9和C6组成自举电路；R10和R12组成平衡电阻；R11和R13可降低复合管穿透电流,提升电路稳定性；VT4、VT6和VT5、VT7组成复合管；R14和C9为消振网络，可改善扬声器高频网络特征；保险丝用于保护功放管和扬声器；C7和C8能消除直流电源意外产生交流量；+VCC为直流稳压电源产生+24V直流带电。（图2-3所表示）

第三章 OCL功率放大器整体电路设计

3.1 整体电路图及工作原理

图2-1

图2-2

图2-3
220V市电经变压器、桥式整流、滤波和运放7824、7924可取得+24V直流电。用此电源来给前置放大电路及功率放大器提供能量。
一般信号经由输入端输入到前置放大电路，电容滤除信号中直流量，流入双运放NE5532放大。放大信号可经电阻、电容经行负反馈，经过测试后从输出端输出，形成初步放大信号。
初步放大信号流入由VT1、VT2组成差分放大电路，因为差分放大电路阻抗很大，所以电压在此放大，另外它还含有使输出端直流电压稳定在零电位上作用。信号经过VT1、VT2后，在经过由R5、R6好人C3组成负反馈网络，其中因为C3隔直作用，所以R5只有交流负反馈作用，R6含有较强直流反馈作用，以使VT1至VT7各管工作稳定，使输出端静态电压稳定在0V。另外，R5和R6一起还有交流负反馈作用。C4是高频负反馈电容（电容超前赔偿电路），以预防电路可能出现高频自激。VD1是VT4和VT5静态偏置二极管，它可是电路取得愈加好温度赔偿。同时为了处理电路工作点偏置和稳定问题，加入R8、R9和C6组成自举升压电路。推进级VT3也起到信号放大作用。当信号正半周输入时，VT4、VT6导通、VT5、VT7截止，VT4、VT6由正电源供电。扬声器放出信号正半周放大声音：当信号负半周输入时，VT5、VT7导通、VT4、VT6截止，VT5、VT7由负电源供电。扬声器放出信号负半周放大声音。因为四只功放管上下电路完全对称，所以输入信号正、负半周得到均匀放大。功放输出端和扬声器直接耦合，实现了全频带放大。在扬声器两端并联R14和C9串联消振网络，能改善扬声器高频特征。因扬声器呈感性，易引发高频自激，而且产生瞬时过压，有可能损坏晶体管VT6、VT7，此容性网络并入可使等效负载呈阳性。考虑到假如电路出现故障，造成输出端静态不为0V。因为SP1直流电阻很小，这么会有很大直流电流流过SP1和输出管，会使它们烧坏。再加入保险丝以后，如出现这种情况，保险丝熔断，保护了SP1和输出管。
3.2 电路参数计算
1、确定电源电压参数
为了达成设计要求，同时使电路安全可靠地工作，电路最大输出功率Pom应比设计标准大部分通常取Pom
因为，所以，最大输出电压为 。考虑到输出功率管VT6和VT7饱和降压，所以电源电压常取VCC=（1.2~1.5）Vom。
设计要求Po>=10W。所以由以上公式可得

Pom≈15～20 W
Vom≈15.5～17.9 V
VCC≈18.6～26.9 V

这里我取了LM7824、LM7924这两个运算放大器，它们输出电压为+24V其它指标也均达成要求。所以它们可作为前置放大电路和功率放大器直流稳压电源。
2、确定功率输出管参数
[1]输出管参数选择。输出功率管VT6、VT7为同类型NPN型大功率管，其承受最大反向电压Ucemax=2VCC，，每个管子最大集电极电流为Icmax=VCC/RI，每管最大集电极功耗为Pcmax=0.2Pom。在选择两管时除了要注意 值劲量对称外，其极限参数应满足下列关系：
U(BR)CEO>UCEmax≈2VCC
ICM>Icmax
PCM>PCmax
所以，依据以上分析可得
U(BR)CEO>48 V
ICM>3 A
PCM>3～4 W
这里VT4我选择了3DG170H管子，VT5我选择了3CK9D管子，它们参数基础符合以上分析数据。
3、其它参数确定：
部分关键电阻参数选择：电阻选择很关键，太小会影响管子稳定性，太大又会影响输出功率，R11=R13=（5～10）Rit5。（Rit5为VT5管等效输入电阻，其大小为 ）。因为R10、R12为平衡电阻，故R10=R12=R11Ω(R13)//Rit5。所以，我将电阻参数为R10=R12=15Ω、R11=R13=150Ω。
R14和C9串联消振网络参数选择:R14和C9取值视扬声器频率响应而定，以效果最好为好。我取R14=30Ω、C9=0.01uf。
电容及其它部件参数选择:因为时间及材料不足，此部分仅凭自己经验进行选择。R1=27KΩ、R2=1.5KΩ、R3=15KΩ、R4=3KΩ、R5=1KΩ、R6=27KΩ、R7=1KΩ、R8=12KΩ、R9=510Ω、C1=20uf、C2=20μF、C3=30μF、C4=20pF、C5=51pF、C6=200 pF、C7=1μF、C8=1μF。静态偏置二极管VD1选择2CP10。推进级三极管VT3选择3CG120B。
3.3 整体电路性能分析
此功放不仅能放大一般信号，还能放大部分极其微弱信号。经过计算此功放输出功率为12.5～20.8 W，失真度约为2.13﹪，基础符合设计要求
3.4 元件清单列表
稳压电源部分
表1 稳压电源部分
原件名称
元器件参数
元器件名称
元器件参数
电桥D1（D1～D4）
IN54024
电容C1
0.1µF
电桥D2（D5 ～D8）
IN50424
电容C2
0.1µF
电阻R1
1KΩ
电容C3
0.33µF
电阻R2
1KΩ
电容C4
0.33µF
二极管D9
2CP10
电解电容C5
2200µF/35V
二极管D10
2CP10
电解电容C6
2200µF /35V
运放U1
LM7824
电解电容C7
2200µF/35V
运放U2
LM7924
电解电容C8
2200µF/35V
电解电容C9
10µf
电解电容C10
10µF

前置放大级部分
表2 前置放大级部分
元器件名称
元器件参数
元器件名称
元器件参数
电阻R0
2.5KΩ
电容C1
10µF
电阻R1
100Ω
电容C2
0.1µF
电阻R2
150Ω
电容C3
0.1µF
电阻R3
76KΩ
电解电容C4
1µF
滑动变阻器RW
1KΩ
电解电容C5
47µF
运放U1
NE5532
电解电容C6
10µF
电阻R4 4
4Ω
电解电容C7
10µF
电阻R5
20Ω

功率放大器部分
表3 功率放大器部分
元器件名称
元器件参数
元器件名称
元器件参数
电阻R1
27KΩ
电容C1
10µF
电阻R2
1.5KΩ
电解电容C2
100µF
电阻R3
15KΩ
电解电容C3
30µF
电阻R4
3KΩ
电容C4
20µF
电阻R5
1KΩ
电容C5
51µF
电阻R6
27KΩ
电解电容C6
200µF
滑动变阻器R7
1KΩ
电解电容C7
1µF
电阻R8
12KΩ
电解电容C8
1µF
电阻R9
510Ω
电容C9
0.01µF
电阻
15Ω
三极管
3DG6
电阻
150Ω
三极管
3DG6
电阻
150Ω
三极管
3DG6
电阻
15Ω
三极管
3CG120B
电阻
150Ω
三极管
3DG170H
电阻
30Ω
三极管
3CK9D
二极管VD1
2CP10
三极管
3DD63C
保险丝
限流1Ma
三极管
3DD63C
扬声器
8Ω

第四章 设计总结
在完成这个设计以后，我也有一定思索，重新将自己设计细细看了几遍，同时也把做一样设计多个同学设计借来观摩了一番。在进行对比和分析以后，又有很多所得。
一开始进行设计时候，我基础上全部是参考书本或网上例子进行，甚至就是根据它步骤再做一遍。不过等到自己设计时候，我认为就应该抛开例子，完全根据自己思绪独立进行，这么可能会在设计中碰到更多问题，不过这么也能让我学到更多，而且在处理碰到问题时会愈加引发自己思索，说不上创新，但可能会有新意产生，也就是自己东西了。
这一点我想在任何一门课程学习，在以后任何一行工作全部是很关键。假如没有探索性，我们只会走着前人走过路，踩着前人踏过脚印。这个设计过程中，探索性关键能够表现在下面多个方面。一个是绘图所用软件，大家推荐我们使用EWB等，因为这多个软件有它们很大优势，在学习使用过程中我也深有体会，尤其是EWB，功效很强大。还有设计时所采取公式，每个设计书上基础全部有较为成熟公式让我们参考。但它们不一定就是最好，我们也能够到图书馆到网上去查阅更多资料，计算出数据后进行仿真，发觉近似性很好，能满足设计指标。没有探索就没有创新，没有创新很可能就会被淘汰，在以后学习和设计中，我也会愈加重视这方面锻炼和培养，期望会有所进步。
我设计缺乏系统性，在整个设计过程中探索性也不够。不过这毕竟是首次设计，我爱好比较浓，主动性也挺高，所以也做比较早，而且设计最终仿真结果全部还不错，所以我给自己定位在良好偏上，以后还需要多学习多交流多研究，我相信我会有更大进步。
致谢
在这课程设计时间里，留下了难以忘怀回想。在此我要尤其地向指导帮助我杨峰老师表示最真挚谢意，还有给我提供帮助钱程同学。
感谢父母这么多年对我养育之恩和教导，感谢湖南文理电气学院给我提供这次实习机会。
在这两周中，学到了很多书本上没有东西，同时能够巩固以前所学到知识。经过这次课程设计使我知道理论和实际相结合，只有理论是远远不够，只有动手操作，才能够处理理论学习中见不到困难和迷惑。其中我也知道了自己不足之处，比如说设计电路时有原理掌握不熟练，元器件特征不够了解，焊接过程中存在虚焊等问题。
在这次试验中，我体会到了自学关键性。还能够知道自己优势所在，把握好自己优势。课程设计关键是能学到真东西，这使我受益匪浅。在此，向给我们提供此次课程设计校方领导和老师致谢。
最终，再次向全部关心支持指导帮助过我完成此次杨峰老师和全部同学，表示最真挚谢意！
参考文件
[1]电子技术基础（第三版）（模拟部分）·康华光主编·北京：高等教育出版社
[2]电子技术基础试验和课程设计·章忠全主编·北京：中国电力出版社 1999
[3]实用电工电子技术手册·实用电子技术手册编委会·北京：机械工业出版社
[4]全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选·全国大学生电子设计大赛组委会·北京：北京理工大学出版社 .3
[5]电子元器件和实用电路基础·韩广兴·电子工业出版社
[6]电子技术常见器件应用手册·陈汝全·北京：机械工业出版社 1994