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1、 電子信息工程專業(yè)模電課程設計報告班 級 B電子062 學 號 0610620206 姓 名 設計時間 _指導老師 鹽城工學院信息學院2008年10月29日目 錄第一章 課設設計目的與要求.1 11 OCL功率放大器.1 12 性能指標.1第二章 各部分電路設計.2 21 直流穩(wěn)壓電源.2 22 差分放大電路.2 23 復合管放大電路.2 第三章 總體電路.3. 31總體電路分析及工作原理.5 32 設計總結.6參考文獻.7 前言摘要: 放大電路實質(zhì)上都是能量轉(zhuǎn)換電路。從能量控制的觀點來看，功率放大電路和電壓放大電路沒有本質(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是不同的。對電壓
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，討論的主要指標是電壓增益，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?。┑妮敵龉β?，因此功率放大電路包含這一系列在電壓放大電路中沒有出現(xiàn)過的特殊問題，這些問題是：(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，這就存在一個效率問題。所謂效率就是負載得到的有用信號功率和電源供給的直流功率的比值。這個比值越大，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下工作，所以不可避免地會產(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重，這就使輸出功率和非線性失真成為一對主要矛盾。但是，在不同場合下，對非線性失真的要求不同。例如，在測量系統(tǒng)和電聲設備中，這個問題顯得很重要，而在工業(yè)系統(tǒng)等場合中，則以輸出功率為主要目的，對非線性失真的要求就降為次要問題了。 (4)功率器件的散熱問題 在功率放大電路中，為了輸出較大的信號功率，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重要問題了。此外，在功率放大電路中，為了輸出較大的信號功率，器件承受的電壓要高，通過的電流要大，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問題也不容忽視。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，動態(tài)特性好及易于集成化等特點。OCL是英文Output Capacitor Less 的縮寫，意為無輸出電容。采用兩組電源供電，使用了正負電源，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，所以廣泛地應用在高保真擴音設備中。性能優(yōu)良的集成功率放大器給電子電路功放級的調(diào)試帶來了極大地方便。為了培養(yǎng)學生的設計能力，本課題主要采用分立元件電路進行設計。一、課程設計任
5、務及要求1、設計指標采用全部或部分分立元件設計一種OCL音頻功率放大器；額定輸出功率；負載阻抗；失真度；設計放大器所需的直流穩(wěn)壓電源。2、設計要求畫出電路原理圖（或仿真電路圖）；元器件及參數(shù)選擇；電路的仿真與調(diào)試；分析設計要求，明確性能指標；查閱資料、設計方案分析對比。3、制作要求論證并確定合理的總體設計方案，繪制結構框圖。4、OCL功率放大器各單元具體電路設計。總體方案分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個設計，計算電路元件參數(shù)；分析工作性能。5、完成整體電路設計及論證。6、編寫設計報告 寫出設計與制作的全過程，附上有關資料和圖紙，有心得體會。二、總體方案設計1、設計思路功率放大器的作用是給負載R
6、l提供一定的輸出功率，當Rl一定時，希望輸出功率盡可能大，輸出信號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漂移，為了獲得足夠大的輸出功率驅(qū)動負載工作，故需要有足夠高的電壓放大倍數(shù)。因此，性能良好的OCL功率放大器應由輸入級，推動級和輸出機等部分組成。2、 OCL功放各級的作用和電路結構特征（1） 輸入級：主要作用是抑制零點漂移，保證電路工作穩(wěn)定，同時對前級（音調(diào)控制級）送來的信號作用低失真，低噪聲放大。為此，采用帶恒流源的，由復合管組成的差動放大電路，且設置的靜態(tài)偏置電流較小。（2） 推動級作用是獲得足夠高的電壓放大倍數(shù)，
7、以及為輸出級提供足夠大的驅(qū)動電流，為此，可采帶集電極有源負載的共射放大電路，其靜態(tài)偏置電流比輸入級要大。（3） 輸出級的作用是給負載提供足夠大的輸出信號功率，可采用有復合管構成的甲乙類互補對稱功放或準互補功放電路。此外，還應考慮為穩(wěn)定靜態(tài)工作點須設置交流負反饋電路，為穩(wěn)定電壓放大倍數(shù)和改善電路性能須設置交流負反饋電路，以及過流保護電路等。電路設計時各級應設置合適的靜態(tài)工作點，在組裝完畢后須進行靜態(tài)和動態(tài)測試，在波形不失真的情況下，使輸出功率最大。動態(tài)測試時，要注意消振和接好保險絲，以防損壞元器件。3、 單元電路的選擇與設計1、設計方案利用三極管的電流控制作用或場效應管的電壓控制作用將電源的功率
8、轉(zhuǎn)換為按照輸入信號變化的電流。因為聲音是不同振幅和不同頻率的波，即交流信號電流，三極管的集電極電流永遠是基極電流的倍，是三極管的交流放大倍數(shù)，應用這一點，若將小信號注入基極，則集電極流過的電流會等于基極電流的倍，然后將這個信號用隔直電容隔離出來，就得到了電流(或電壓)是原先的倍的大信號，這現(xiàn)象成為三極管的放大作用。經(jīng)過不斷的電流及電壓放大，就完成了功率放大。先設計一個放大器所需要的12V的直流穩(wěn)壓電源，如下圖1。信號先通過差分放大電路進行放大，如下圖2。再通過復合管進一步放大，如下圖3。最后通過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)樗枰碾妷褐担缓笸ㄟ^整流電路將交流電壓變成脈動的直流電壓。由于此脈動的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾除，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（一般有10%左右的波動）、負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)壓電路的作用是當電網(wǎng)電壓波動、負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。當負載和溫度變化時，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)那個面有許多有點，是模擬集成電路的又一重要組成部分。上圖時用兩個特
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為實際電流源的動態(tài)輸出電阻，其阻值一般很大，容易滿足R0Re（發(fā)射結電阻）的條件，這樣就可以認為R0支路相當于開路，輸入信號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。他們分別有三個極：發(fā)射極e、集電極c和基極b。當BJT用作放大器件時，無論是NPN型還是PNP型，都應將他們的發(fā)射結加爭先偏置電壓，集電結加反向偏置電壓。以NPN管為例，其工作原理是：(1) 發(fā)射結向基區(qū)擴散載流子，形成發(fā)射極電流 IE(2) 載流子在基區(qū)擴
11、散與復合，形成復合電流IBN(3) 集電區(qū)手機載流子，形象橫集電極電流 ICBJT共射極連接時的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。因為發(fā)射結正偏，所以BJT的輸入特性曲線與半導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。即當VBE一定時，隨著VCE的增加，IB將減小。 （2） 輸出特性上圖是NPN型硅BJT共射極連接時的輸出特性曲線。圖中BJT有三個工作區(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)域為放大區(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系，即iC=iB，且iC iB。VBE對iC的影響由基區(qū)寬度調(diào)制效應產(chǎn)生，即VBE增加時，基區(qū)有效寬度減小，載流子在基區(qū)的復合機會減少，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)射結處于正向偏置，集電結處于反向偏置狀態(tài)。（2）飽和區(qū)：指綠色區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi)，對應不同iB值的輸出特性曲線簇幾乎重合在一起。也就是說，VBE較小時，iC雖然增加，但iC增加不大，即iB失去了對iC的控制能力。這種情況，稱為三極管的飽和。飽和時，三極管的發(fā)射給和集電結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)射結和集電結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到輸出功率10W的設計要求，同時使電路安全可靠地工作，電路的最大輸出功率P應比設計指標大些，一般取P（1.52）P。即本設計中電路的最大輸出功率應按68W來考慮。 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、功率輸出級的設計 (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，每個管的最大集電極電流為IV/R14+R，每個管的最大集電極功耗為P0.2P。（2）復合管的選擇 V1,V3分別與V2,V4組成復合管,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,可近似為 I= I(1.11.5) P=P(1.11.5)（3）電阻R6-R11的估算 R7,R8用來減小復合管的穿透電流,其值太小
15、會影響復合管的穩(wěn)定性,太 大又會影響輸出功率,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用于獲得電流負反饋作用，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，會使加到V1，V3的基極輸入端的信號不對稱。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共同組成輸出級的偏置電路，以使輸出級工作于甲乙類狀態(tài)。
16、其中V8，V9選擇與復合管V4，V5相同材料的硅二極管，可獲得較好的的溫度補償作用。四、總電路圖及其工作原理工作原理：1用差分放大輸入級抑制零漂，如前所述，為了使R在靜態(tài)時沒有直流電流通過，即A點的靜態(tài)直流電位為零，所以采用正，負對稱的兩個小電源（+V，-V）。但是溫度的變化又會引起零漂，所以應采用差分放大器作為輸入級，用它來抑制A點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管為激勵級，它把V1管輸出信號再進行一次放大后去推動功率輸出級的功放管工作，故該級又稱為推動級。C5是高頻負反饋電容，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，并利用V8，V9補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)負反饋電路。C3對低頻信號短路，分壓比R6/（R5+R6）為反饋系數(shù)，R6越大，反饋量越大，反饋越強。分壓比適當則既可減小信號非線性失真，又不致造成放大器增益下降太多。5R16，C6稱中和電路，防止由于感性負載而引起高頻自激。6R4，C2是差動放大器的電源濾波電路。7C4稱自舉電容，用來提高功率輸出級的增益。由圖可知，當輸入信號u1為正半周時，經(jīng)V1，V2和V3次放大并反相，u也為正半周，則V4，V6復合管導通，信號放大后經(jīng)R14，R，地，+V返回V4，V6形成回路，在負載R上有放大了的
18、正半周電流i通過，其方向如圖中的實線所示。同理可知負半周上的i通過，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。五、總結課設的過程是艱辛的，但是收獲是巨大的。首先，我們再一次的加深鞏固了對已有的知識的理解及認識；其次，我們第一次將課本知識運用到了實際設計，使得所學知識在更深的層次上得到了加深。再次，因為這次課程設計的確在某些方面存有一定難度，這對我們來講都是一種鍛煉，培養(yǎng)了我們自學、查閱搜集資料的能力；再有，計算操作過程中，我們曾經(jīng)面臨過失敗、品味過茫然，但是最終我們還是堅持下來了，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富。參考文獻：1. 陸 坤 張義中電子科技大學出版 1998.102. 張飛碧 項 鈺機械工業(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 樊愛華機械工業(yè)出版社
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