模电专业课程设计.doc

1 绪论
功率放大器(简称功放)作用是给音频放大器负载RL(扬声器)提供一定输出功率。当负载一定时，期望输出功率尽可能大，输出信号非线性失真尽可能地小，效率尽可能高。音频放大器目标是以要求音量和功率水平在发声输出元件上重新产生真实、高效和低失真输入音频信号。音频频率范围约为20 Hz～20 kHz，所以放大器必需在此频率范围内含有良好频率响应。本设计中要求设计一个实用音频功率放大器。在输入电压=50mV，负载电阻等于8Ω条件下最大输出不失真功率Po≥5W，功率放大器频带宽度BW≥50Hz~15KHz。

一、设计目标
依据设计要求，完成对音频功率放大器设计。
深入加强对模拟电子技术知识了解和对Protel软件应用。
了解集成功率放大器内部电路工作原理，掌握其外围电路设计和关键性能参数测试方法。
学习音频功率放大器设计方法和小型电子线路系统安装调试方法。
二、设计要求
内容：设计并制作一OCL音频功率放大器和和之匹配直流稳压电源。
指标：PoM≥5W；
fL≤50Hz，fH≥15KHz；
中点电位≤100mV；
负载：8Ω；
输入电压50mV。
三、方案选择
音频功率放大器关键作用是向负载提供功率，要求输出功率尽可能大 效率尽可能高、非线性失真尽可能小。
输出功率指是功放提供给负载级功率，为达成这一要求，功放管电压和电流改变范围应尽可能大。
功率放大器效率指是负载上得到功率和电源提供直流电源功率之比，为达成这一要求必需选择适宜电路，下文中会有描述。
非线性失真要小：功率放大器是在大信号状态下工作，电压、电流摆动幅度交大，很轻易超出管子特征曲线线性改变范围而进入非线性区，造成输出信号波形非线性失真。所以，功率放大器比小信号电压放大器非线性失真严重。为了减小这种失真，本设计选择下文所述方案。
功率放大器常见电路形式有单电源供电OTL电路和正负双电源供电OCL电路。有集成运放和晶体管组成功率放大器，也有专用集成电路功率放大器芯片。依据设计指标及要求，选择NE5532功放芯片双电源供电OCL互补推挽对称功放电路。
此推挽功率放大器工作在甲乙类状态，其目标是为了减小交越失真。电路在工作时因为每管工作点稍高于截止点，所以有一很小静态工作电流，这么便可克服管子截止区电压，使两只管子交替工作处负载电流按标准正弦规律改变，从而克服了交越失真。
OCL互补推挽对称功放电路通常包含驱动级和功率输出级，前者为后者提供一定电压幅度，后者则向负载提供足够信号，以驱动负载工作。

四、电路设计
设计框图：
运放IC
OCL功放

In

电路分析和计算：
、复合管准互补推挽电路实现
电路图以下图所表示：因为大功率NPN和PNP管不轻易做到良好对称性，为了提升功放电路性能，在实际电路中广泛采取复合功率管。在图中，Q3、Q4为同型NPN大功率管，轻易配对，能够输出较大电流；Q1、Q2采取异型NPN和PNP小功率管，也轻易配对。这么既取得良好对称性又取得较大电流输出。在实际电路中，Q1,Q2发射极和集电极分别接上一个电阻，使Q3、Q4能有一个适宜工作点。R16作用是调整电路整体对称性，减小因管子性能而引发不对称性。

、整体电路原理图为：

、对电路各部分定性说明及定量计算
1、电源确实定
设计要求为PoM≥5W，管子=3V, 由PoM =可知，
若=9V，则PoM =2.25W<5W，不符合要求；
若=12V，则PoM =5.06W 5W，不太适宜；
若=15V，则PoM =9W>5W，符合要求。
综上可知，选择电源电压=15V为功放提供直流电源。
2、运放选择
由设计要求fL≤50Hz，fH≥15KHz；故同频带约为= fH=15KHz，初步估量运放放大倍数在110—120之间，故增益带宽积为 fH×=15×1000×110=1.65MHz
而F007GBW为1MHz，不能满足要求。
经查阅资料可知，运放NE5532GBW为10MHz，而且其它方面性能全部能满足设计要求，故本设计选择NE5532作为前级驱动运放。
3、功率输出级设计
①输出功率管选择
输出功率管Q3、Q4为同型NPN大功率管，其承受最大反向电压为： 2=30V;
最大集电极电流为：1.25A;
最大集电极耗散功率为：=3W;
所以在选择Q3、Q4时，除了应使每只管子值尽可能对称外，其极限参数满足下列关系：
> 2;
>1.25A;
>3W;
TIP41CNPN型大功率管参数为：=100V; =6A; =65W,均能满足设计要求.
②、电阻阻值估算
R10、R12用来减小复合管船头电流，太小会影响复合管稳定性，太大又会影响输出功率，通常取几百欧姆，在此取R10=R12=330，为管输入端等效输入电阻，其大小为：=+（1+）
输出管Q3、Q4发射极和集电极所接电阻通常取R13=R14=(0.05~0.1) 0.5;
R7,R8阻值大小要依据输出级输入信号幅度和前级运放最大输出电流来决定。电路静态工作点关键由决定，过小会使晶体管工作在乙类状态，产生交越失真，过大会增大静态功耗而使功率放大器效率降低通常取=1.5mA,由=计算得R7=R810k;
R16取1 k，用来调整电路对称性。
、直流稳压电源
设计框图：
电路原理图以下：

图中~组成单相桥式整流电路；~组成电容滤波电路，这里需要大容量电容，通常采取电解电容，为了确保安全及输出电压稳定性，选择容量为2200F电解电容。L7815cv和L7915cv分别为三端正稳压和负稳压器，稳压范围分别为14.4V~15.6V和-14.4V~-15.6V。整个电源电压为：15V和-15V,能够满足音频功放所需。

五、安装和调试
根据设计好电路原理图进行制板，完成后按次序将所用元器件依次焊接到做好PCB板上，焊接过程中要尽可能避免虚焊。整个电路焊接完成后进行测试。用万用表测得中点电位为40mV符合设计要求。其它各项指标参数需到试验室借助相关仪器进行测试。
六、心得体会
此次课程设计至此已经靠近尾声，设计时间即使不是很长，但在整个设计过程中收获颇丰。整个课程设计过程中首先对模拟电路这门课程有了更深了解，因为课程设计本身要求将以前所学理论知识利用到实际电路设计当中去，在电路设计过程中，无形中便加深了对模拟电路了解及利用能力，对书本和以前学过知识有了一个愈加好总结和了解；以前模电试验只是针对某一个小功效设计，而此次课程设计对我们总体电路设计要求更严格，需要经过翻阅复习以前学过知识确立了试验总体设计方案，然后逐步细化进行各模块设计。另外，经过此次课程设计，我对设计所用到软件有了愈加深刻地了解，这对我们以后工作和学习帮助全部很有用处。
经过这次课设让我明白了理论和实际操作之间差距，而且也让我很明确得意识到自己在模电上有很多知识漏洞，以后应该多钻研一下。

表1-1 元器件清单表
元器件名称
元器件参数
数目

电阻

1
0.5
2
100
2
330
2

2
5.1
2

2
100k
1

电位器

100K
1

1

电容

4

4
1000uf
2
2200uf
2
二极管
In4007
6
三极管
TIP41C
2
8050
1
8550
1
运放
NE5532
1
三端稳压器
L7815CV
1
L7915CV
1
散热片4，三端导线1，排针11，