OCL功率放大器报告

驱动级应用运算放大器μA741来驱动互补输出级功放电路，功率输出级由双电源供电的OCL互补对称功放电路构成。为了克服交越失真，由二极管和电阻构成输出级的偏置电路，以使输出级工作于甲乙类状态。为了稳定工作状态和功率增益并减小失真，电路中引入电压串联负反馈。本课程设计是一个OCL功率放大器，该放大器采用复合管无输出耦合电容，并采用正负两组双电源供电。综合了模拟电路中的许多理论知识，巩固了用运放和三级管组成电路的应用，负反馈放大电路基本运算电路的性能与作用。 。

2 音频功率放大器

2.1 音频功放的性能指标

音频功率放大器的主要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。

2.2 音频功放的特点

音频功率放大器的特点：

1、输出功率足够大——为获得足够大的输出功率， 功放管的电压和电流变化范围应很大。

2、效率要高——功率放大器的效率是指负载上得到的信号功率与电源供给的直流功率之比。

3、非线性失真要小——功率放大器是在大信号状态下工作，电压、 电流摆动幅度很大，极易超出管子特性曲线的线性范围而进入非线性区， 造成输出波形的非线性失真，因此，功率放大器比小信号的电压放大器的非线性失真问题严重。［4］

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2.3 功放的分类及本设计的整体构思

功率放大电路的电路形式很多，有双电源供电的OCL互补对称功放电路，单电源供电的OTL功放电路，BTL桥式推挽电路和变压器耦合功放电路，等等。我选用的是双电源供电的OCL互补推挽对称功放电路。

此推挽功率放大器的工作状态为甲乙类。推挽功率放大器的工作状态之所以设为甲乙类而不是乙类，其目的是为了减少“交越失真”。若设置为乙类状态，由于两管的静态工作点取在晶体管输入特性曲线的截止点上，因而没有基极偏流。这时由于管子输入特性曲线有一段死区，而且死区附近非线性又比较严重，因而在有信号输入、引起两管交替工作时，在交替点的前后便会出现一段两管电流均为零或非线性严重的波形；对应地，在负载上便产生了交越失真。

将工作状态设置为甲乙类便可大大减少交越失真。这时，由于两管的工作点稍高于截止点，因而均有一很小的静态工作电流ICQ。 这样，便可克服管子的死区电压， 使两管交替工作处的负载中电流能按正弦规律变化，从而克服了交越失真。

OCL互补推挽对称功放电路一般包括驱动级和功率输出级，前者为后者提供一定的电压幅度，后者则向负载提供足够的信号频率，以驱动负载工作。

因此，需要设计两部分，即驱动级和功率输出级。由于题目是高保真音频功率放大器的设计与制作，因此，必须保证其向负载提供功率，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。 整体构思：

OCL互补对称功放电路一般包括驱动级和功率输出级，前者为后者提供一定的电压幅度，后者则向负载提供足够的信号频率，以驱动负载工作。

功率输出级由双电源供电的OCL互补对称功放电路构成。为了克服交越失真，由二极管和电阻构成输出级的偏置电路，以使输出级工作于甲乙类状态。为了稳定工作状态和功率增益并减小失真，电路中引入电压串联负反馈。功率放大器的作用是给音响放大器的负载（一般是扬声器）提供所需要的输出功率。

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4 电路设计

本设计电路的总体设计图如下，这是由集成运放与晶体管组成的OCL功放电路如图4-1所示。其中运放为驱动级，晶体管T1~T4组成复合式晶体互补对称电路。

图4-1 功放总电路图

4.1 电路工作原理

三极管T1、T2为相同类型的NPN管，所组成的复合管仍为NPN型。T3、T4为

不同类型的晶体管，所组成的复合管的导电极性由第一支管决定，即为PNP型。

R4、R5、RP2及二极管D1、D2所组成的支路是两对复合管的基级偏置电路，静态时支路的电流I0可由下式计算：

式中，VD为二极管的正向导通压降。

为了减少静态功耗和克服交越失真，静态时T1、T3应工作在微导通状态，即满足下列关系：

I0=2VCC2VDR4+R5+RP2VABVD1+VD2VBE1+VBE3

称此状态为甲乙类状态。二极管D1、D2与三极管T1、T3应为同类型的半导体材料，如D1、D2为硅二极管IN5399，则T1、T3也应为硅三极管。RP2用于调整复合管的微导通状态，其调整范围不能太大，一般采用几百欧姆或1K电位器，安装电路时首先应使RP2的阻值为0，在调整输出级静态工作电流或输出波形的交越失真时再逐渐增大阻值。否则会因为RP2的阻值较大而使复合管损坏。

R6、R7用于减少复合管的穿透电流，提高电路的稳定性，一般为几十欧姆到几百欧姆。R8、R9为负反馈电路，可以改善功放的性能，一般为几欧姆。R10、

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R11称为平衡电阻，使T1、T3的输出对称，一般为几十欧姆至几百欧姆。R12、C3称为消振网络，可改善负载为扬声器时的高频特性。因扬声器呈感性，易引起高频自激，此容性网络并入可使等效负载呈阻性。此外，感性负载易产生瞬时过压，有可能损坏晶体三极管T2、T4。R12、C3取值视扬声器的频率响应而定，以效果最佳为好，一般R12为几十欧姆，C3为几千皮法至0.1uF。

4.2 静态工作点设置

设电路参数完全对称。静态时功放的输出端O对地的电位应为0，VO=0，输出点称为“交流零点”。电阻R1接地，一方面决定了同向放大器的输入电阻，另一方面保证了静态时同相端电位为0，即V+=由于运放的反相端经R3、RP10。接交流零点，所以V-=0。静态时VC=0。调节RP1电位器可以改变功放的负反馈深度。电路的静态工作点主要由I0决定，I0过小会使晶体管T2、T4工作在乙类状态，输出信号会出现交越失真，I0过大会增加静态功耗使功放的效率降低。综合考虑，对于数瓦的功放，一般取I0=1mA~3mA，以使T2、T4工作在甲乙类状态。

下图为用ORCAD软件设计进行静态工作点分析的图。如图4-2。

4.3 参数计算

已知条件RL=8，Vi=10mV，+VCC=+12V，VEE=12V。 性能指标要求PO2W, <3%(1KHZ的正弦波)。

采用本次设计的电路，集成运放Ua741。功放的电压增益

PRV

AvOOLVi Vi1R3+RP1 R2若取R21k，则R3+RP119k。现取R3=10k，RP147k。

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如果功放级前级是音量控制电位器（设为47k），则取R147k以保证功放级的输入阻抗远大于前级的输出阻抗。

若取静态电流I0=1mA，因静态时VC=0V，由式

I0=2VCC2VDR4+R5+RP2可得，

I0VCCVD12V0.7V =R4+RP2R4则R411.3k，取标称值11k。［1］

5.1.3 频率分析

5.2 PROTEL画图和PCB板制作

Protel画图的具体步骤：

（1）打开protel，建立项目，选择Schematic.Document来创建一个电路原理图设计文件sheet.ddb。双击sheet.ddb进入原理图设计主界面。 （2）a 熟悉工具条 b 熟悉快捷键的利用

c 选择元器件，元件库里没有的元件自己编辑后放入原理图界面，编辑元件是从书上学的，下面是一些自己编辑的一些新元件。

d 摆放元件

Space键：让元件作90°的旋转； X键：元件左右对调。 Y键：元件上下对换。

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e 元件连线

当预拉线的指针移动到元件的引脚或其他电器特性线时，指针的中心将会出现一个黑点，她提示我们在当前状态下单击鼠标左键就会形成一个有效的电气连接。

f 加入输入/输出端口 g 更改元件属性

更改元件属性要注意元器件的封装号及footprint，设置元件的序号，设置元件的有效数值。

h ERC电气规则检查

如果有错误要检查原理图并改正其错误。 下图是用protel画的原理图：

图5-9 protel绘制的PCB板

Protel制PCB板的步骤 （1）创建PCB文件

在PCB document里创建PCB文件

（2）熟悉PCB里的一些常用的元件和相关的名词如板层，板框，飞线。铜模走线，焊点，导孔等。 （3）熟悉工具条 （4）制作PCB板

a 定义边框； b 加载网络表； c 摆放元件； d 自动布线； e 修改边框； f 手动修改导线； g 放置汉字标志等。［2］

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6 电路安装与调试

6.1 合理布局，分级装调

音响放大器是一个小型电路系统，安装前要对整机线路进行合理布局，一般按照电路的顺序一级一级的布线，功放级应远离输入级，每一级的地线应尽量接在一起，连接尽可能短，否则很容易产生自激。

安装前应检查元器件的质量，安装时特别要注意功放块，三极管，二极管等主要器件的引脚和极性，不能接错。从输入级开始向后级安装，也可以从功放级开始向前逐级安装。安装一级调试一级，安装两级要进行级联调试，直到整机安装与调试完成。

6.2 电路调试

电路的调试过程一般是先分级调试，再级联调试，最后进行整机调试与性能指标调试。

本电路在调试过程中，音频输出效果基本符合题目要求，功放各种音频信号声音洪亮清晰，无噪音，失真度几乎没有。但在话筒信号输入部分电路中，出现了放大倍数不够，导致了功放话筒声音小，而且有噪音。改进方法应为加大放大倍数，接上滤波电容，提高话筒前置放大能力。

7 小结

通过这次为期两周的设计，我对以前所学的电路和模电知识有了更深层次的理解与巩固，并学会了ORCAD软件的应用，对电路进行仿真，也复习了PROTEL软件的应用，制作出电路的PCB印制电路板图，由于电路焊接较麻烦，所以选

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择用面包板直插的，一样能得出设计结果。设计一个很完整的电路，需要不断的尝试摸索，这在很大程度上提高了我考虑问题的全面性。设计完整的电路，还要考虑到它什么功能需要什么电路来实现。另外，还要考虑它的可行性，实用性等等。这样，也提高了我分析问题的能力。通过这次设计，我的理论知识上升到了一个实践的过程，我们需要多训练实际动手操作，增强我们的动手能力。

因为对ORCAD软件不能熟悉运用，而且此仿真软件有所，所以仿真的过程中遇到了很多困难，许多元件在元件库找不到，于是只能找资料用其他元件代替，不过有困难才能让我们学到更多。

通过这次课设，我也深刻体会到了自己知识的匮乏。意识到自己所学的知识的肤浅，只是一个表面性的，理论性的，根本不能够解决在现实中还存在的很多问题。因此，学习中应多与实际应用相联系。总之，通过这次设计，不仅使我对所学过的知识有了一个新的认识。而且提高了我分析问题及动手操作的能力。使我的综合能力有了一个很大的提高。

元器件清单

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表1-1 元器件清单表

元器件名称 电阻 元器件参数 8 数目 1 2 2 2 2 2 2 1 1 1 4 4 2 2 6 1 1 2 1 1 1 100 330 1k 0.55.1 10k 电位器 电容 100K 1k 100k10F 0.1F 1000uf 2200uf 二极管 三极管 In4007 L7815cv L7915CV TIP41C 8050 8550 运放 NE5532 散热片4，三端导线1，排针11，

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