乙类OTL功率放大器仿真实训指导.docx
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乙类OTL功率放大器仿真实训指导
乙类OTL功率放大器仿真实训指导
1、CDIO设计目的
◆设计乙类OTL功率放大器，并熟悉其设计原理，进行multisim的仿真。
◆利用555定时器设计信号发生器（方波，三角波，正弦波），并进行仿真。
◆通过设计与仿真进一步加强对有关理论的认识。
◆加深了对电路设计技巧及电子电路原理的理解。
2、CDIO设计正文
2.1功率放大器的设计
2.1.1功率放大器的本质
功率放大器即把前级放大器的弱信号放大，然后驱动一定的负载工作，例如喇叭等。
而所谓的“乙类OTL功率放大器”即单电源供电，无输出变压器的在半个周期内导通的功率放大器。
另外所谓的“推挽放大器”即利用两只特性相同的晶体管，使它们都工作在乙类状态，其中一只晶体管在正半周工作，另一只在负半周工作，然后设法将两只管的输出波形在负载上组合到一起，得到一个完整的输出波形。
2.1.2设计分析
1、乙类功率放大器原理分析
电路的工作原理图如图1所示。
图1乙类OTL互补推挽电路原理图
静态时要求两管无基极电流，即IB=0，K点电位为Vcc/2，VCE1=VCC/2，VCE2=—Vcc/2。
当输入电压Ui正半周时，两管基极电位同时升高，T2管发射结反偏截止，T1发射结正偏导通，io1在RL上得到正半周的输出电压vO；当输入电压Vi负半周时，两管基极电位Vb同时下降，T1发射结反偏截止，T2发射结正偏导通，io2在RL上得到负半周的输出电压Vo，可见两管都工作在射极输出组态。
在无输入电压Vi时，输出电压Vo为零，两管都工作在乙类放大状态。
当一只管子导通时另一只管子截止，又称为互补推挽电路。
在讨论图1输出波形时，忽略了功放管发射结的门坎电压（对硅管约为0.6V，对锗管约为0.2V）。
实际上输入电压必须大于门坎电压时才有射极电流输出，输入电压低于门坎电压时没有射极电流输出，因此输出电压波形的正负半周交接处产生了失真，称为交越失真，如图2所示。
图2交越失真电路图
为了消除交越失真实际设计电路时采用图3电路，在图示电路中Q3为前置放大器，Q1和Q2为互补对称放大器。
R2与R3的作用在于为Q1和Q2提供一个合适的偏置，使在Ui=0时，K点的点位为Vcc/2，D1和D2的加入使得Q1和Q2在静态时处于微导通状态，从而消除了电路的交越失真。
静态时，K点电位为Vcc/2，电容被充电到Vcc/2。
若电容足够大，则在有信号输入时，可认为其上的电压保持不变，即相当于一个电压为Vcc/2的恒压源。
Ui负半周时Q2导通而Q1截止，Q2集电极回路的直流电源电压为Vcc/2。
Ui正半周，V3导通，而V2截止，Q2导电时依靠电容上的电压供电，Q2集电极回路的直流电源电压为-Vcc/2。
2、设计要求
当负载为8欧姆时，使输出波形在不失真的情况下输出功率至少达到0.5W，频率设置在低频范围内1K~50Khz左右。
3、在multism里面的仿真与调试
根据原理图在multisim里面进行电路的搭建，正确选择好电路元件后，其电路图形如图4所示。
搭建好电路后按照设计要求对电路进行仿真调试。
图4multisim仿真电路图
根据前面的电路分析，在multisim里进行仿真调试，在调试过程中，减小R6输出波形会产生截止失真，减小R3会产生平顶失真，增大R3会产生截止失真。
调节R6与R3使当输入信号为零时输出端直流电压为Vcc/2即可，此时静态满足要求。
然后利用信号发生器输入一个小信号，因为驱动负载一般为喇叭，其电阻一般选择8欧姆即可输出功率为0.5W左右。
根据已学知识可知输出功率Pomax=Vom2/2RL，则输出电压Vom应达到2.8V左右。
因此调节输入信号电压当输入信号电压为23mv左右时，输出的Vom为2.83且波形不产生失真，故能够满足要求。
对于频率，当频率过小时输出端的电压会与输入端的电压产生相位差，而当频率达到10K以上时相移较小，基本上可以忽略。
若考虑到人耳能够听到的频率一般为20~20Khz，故所加频率也不能太大。
按照上述分析设置仿真参数，信号发生器输入设置为23mv，频率为15Khz。
设置好后，点击示波器可观察到如图5所示的输出波形，其中红色线条代表输入端信号的大小，绿色线条代表输出端信号的大小。
图5仿真结果图
由示波器可观察到输出端的电压最大值为2.85V，则根据Pomax=Vom2/2RL可得：
Pomax=2.852/16=0.507W
由此可看出电路大到了设计要求。
2.2利用555设计信号发生器（方波、三角波、正弦波）
2.2.1555芯片介绍
555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，可以将输入的模拟信号变化为一定的数字信号输出，因而广泛应用于生产实践的各个领域。
它不仅用于信号的产生和变换，还常用于控制和检测电路中。
555定时器的电路如图6所示。
它由三个阻值为5k欧的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电晶体管T、与非门和反相器组成。
图6555内部原理图
分压器为两个电压比较器C1、C2提供参考电压。
如5端悬空（也可对地接上0.01uF左右的滤波电容），则比较器C1的参考电压为
，加在同相端；C2的参考电压为
，加在反相端。
Vi1是比较器C1的信号输入端，称为阈值输入端；Vi2是比较器C2的信号输入端，称为触发输入端。
RD是直接复位输入端。
当RD为低电平时，基本RS触发器被置0，晶体管T导通，输出端u0为低电平。
Vi1和Vi2分别为TH端和TR端的输入电压。
当Vi1>
，Vi2>
时，C1输出为低电平，C2输出为高电平，，基本RS触发器被置0，晶体管T导通，输出端Vo为低电平。
当Vi1<
，Vi2<
时，C1输出为高电平，C2输出为低电平，基本RS触发器被置1，晶体管T截止，输出端Vo为高电平。
当Vi1<2/3Vcc，Vi2>1/3Vcc时，基本RS触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。
555定时器的控制功能说明如表1所示。
表1555定时器控制功能表
输入
输出
TH
VO
Dis
×
×
L
L
导通
<
VCC
<
VCC
H
H
截止
<
VCC
>
VCC
H
不变
不变
>
VCC
×
H
L
导通
2.2.2函数信号发生器设计分析
设计思路框图如图7所示：
积分器波积分器（低通滤波器）
图7设计思路框图
如图8所示电路可同时产生方波、三角波、正弦波并输出。
其中555定时器接成多谐振荡器工作形式，C2为定时电容，C2的充电回路是R2→R3→RP→C2；C2的放电回路是C2→RP→R3→IC的7脚（放电管）。
由于R3+RP>>R2，所以充电时间常数与放电时间常数近似相等，由IC的3脚输出的是近似对称方波。
按图所示元件参数，其频率为1kHz左右，调节电位器RP可改变振荡器的频率。
方波信号经R4、C5积分网络后，输出三角波。
三角波再经R5、C6和R6、C7积分网络，输出正弦波。
C1是电源滤波电容。
发光二极管VD用作电源指示。
如图4所示电路可同时产生方波、三角波、正弦波并输出。
图8函数信号发生器电路原理图
2.2.3各部分的工作原理
1、多谐波振荡器工作原理
用555定时器组成的多谐振荡器如图9（a）所示。
接通电源后，电容C2被充电，当电容C2上端电压Vc升到2Vcc/3时使555第3脚V0为低电平，同时555内放电三极管T导通，此时电容C2通过R3、Rp放电，Vc下降。
当Vc下降到Vcc/3时，V0翻转为高电平。
电容器C2放电所需的时间为：
tpL=（R3+Rp）C2ln2
（1）
当放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R3、Rp向电容器C2充电，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的时间为：
tpH=0.7（R1+R3+Rp）C2
（2）
当Vc上升到2Vcc/3时，电路又翻转为低电平。
如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。
电路的工作波形如图9（b），其震荡频率为：
f=1/（tpL+tpH）=1.43/（R1+2R3+2Rp）C2（3）
图9（a）555定时器组成的多谐振荡器图9（b）多谐振荡器工作波形
2、方波--三角波转换电路的工作原理
RC积分电路如图10（a）所示，是脉冲技术中常用的电路之一，该电路的时间常数t较大，一般取t>=10tk。
输入信号Ui如图10（b）在t1时刻U0（ti）=0，此后Ui向C充电，U0按指数规律上升；在t2~t3其间，Ui=0电容C处于放电状态U0下降，在t3~t4其间U0又按指数规律上升，如此反复，就得到了近似锯齿波的输出电压，如图10（c）U0的波形，矩形脉冲的占空比不同，输出电压的幅度也不同。
显然，占空比越大，输出电压的幅度也就越接近输入信号的幅度E.
3、三角波--正弦波转换电路的工作原理
滤波器原理图如图11所示。
图11三角波产生正弦波原理图
原理：
采用低通滤波的方法将三角波变换为正弦波。
所谓的低通滤波器就是允许低频信号通过，而将高频信号衰减的电路，RC低通滤波器电路的组成如图所示。
2.2.4电路的仿真及数据计算
multisim里面搭建的仿真电路图如图12所示。
图12仿真电路总图
1、方波接线图如图12所示,示波器A道即红色线条引入的为多谐振荡器输出端信号。
所得方波波形如图13所示。
图13方波波形
2、三角波接线图如图12所示,示波器B道即紫色线条引入的为三角波输出端信号。
所得三角波波波形如图14所示。
图14三角波波波形
3、正弦波接线图如图12所示,示波器B道即绿色线条引入的为正弦波波输出端信号。
所得正弦波波形如图15所示。
图15正弦波波形
multisim电路仿真实验数据如表2所示。
表2电路仿真波形参数表
周期T
频率f
三角波峰值Vp
正弦波峰值Vp
方波峰值Vp
三角波峰峰值Vp-p
正弦波峰峰值Vp-p
方波峰峰值Vp-p
1.03ms
998Hz
577.316mv
5.652mv
5.982v
1.161v
11.587mv
12.005v
电容C1的放电时间由
（2）式可得：
T1=（R5+Rp）C1ln2≈0.7（R5+Rp）C2代入数据可得T1=490us。
电容C充电时间由
（1）式可得：
T2=（R1+R5+Rp）C1ln2≈0.7（R1+R5+Rp）C2，代入数据可得T2=497us。
故电路的振荡频率由（3）式可得：
f=1/（T1+T2）≈1.43/（R1+2R5+2Rp）C2，代入数据可得f=1056HZ。
则输出波形占空比为：
q（%）=T2/（T1+T2）×100%≈50%。
3、设计总结
在本次CDIO项目设计中主要进行了乙类互补推挽功率放大器的设计和555函数信号发生器的设计，通过利用multisim的仿真，仅以不加深了自己对所学知识的的理解，如功率放大器设计是需要考虑的问题，以及如何进行各个元件的选择与计算，懂得了功率放大器的作用，乙类互补推挽放大器与其他不同放大器的区别，明白了其消除交越失真的原理，对其功率的计算进行了进一步的学习。
在利用555芯片设计函数信号发生器时，通过查阅资料知道了电路的组成以及电路各部分的作用及其应用的原理，也对555芯片的内部结构有了进一步的认识，能够把课本当中的知识真正融入自己的设计过程中。
设计信号发生器时多谐波振荡器产生方波，它是三角波与正弦波产生的基础。
对于积分器，低通滤波器的作用通过本次设计有了更直观的认识。
此外通过仿真对multisim软件的应用更加熟悉与灵活。
总之，在本次CDIO项目设计过程中多自己的实践能力有了进一步的提升，也通过与小组人员的讨论，懂得了团队沟通与协作的重要性。
任何东西都不是一蹴而就的，相信通过以后进一步的学习，对于自身能力会有更大的提高。
4、参考文献
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