课程设计基本互补对称功率放大器OCL的设计.docx
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课程设计基本互补对称功率放大器OCL的设计
课程设计任务书
题目：
基本互补对称功率放大器OCL的设计
初始条件：
具较扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；具备低高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力；能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。
要求完成的主要任务：
1.采用6个以上的晶体管完成一个互补对称功率放大器OCL的设计；
2.设计的功率放大器输出功率达到10W以上；
3.利用MULTISIM和PROTEL软件绘制该电路的原理图和PCB印制电路板图；
4.完成课程设计报告（应包含电路图，清单、调试及设计总结）。
时间安排：
1．2011年6月10日分班集中，布置课程设计任务、选题；讲解课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求；课设答疑事项。
2．2011年6月10日至2011年6月23日完成资料查阅、设计、制作与调试；完成课程设计报告撰写。
3.2011年6月24日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
摘要
功率放大器广泛应用于电子线路系统中，在很多情况下设备的额定输出功率比较小，这时就要在信号输出端和信号接收设备之间加上功率放大器来补充所需的功率，在电路中的核心部件是晶体管，其原理是利用三极管的放大作用，通过电流控制作用将直流电源的能量转换为输出信号的电流能量。
由多级电路，经过不断的电流及电压放大，就完成了功率放大。
本课程设计采用基本互补对称型OCL电路，即省去输出端的大电容，优点是可以使系统的低频响应更加平滑。
另外本课设采用protel和Multisim软件来画电路原理图和制作PCB板，进行分析和调试。
掌握设计和调试电路的一些方法和技巧。
关键字：
输出频率，晶体管，互补对称
Abstract
Poweramplifiersarewidelyusedinelectroniccircuitsystems.Inmanycases,theratedoutputpowerofequipmentisrelativelysmall.Thenweaddthepoweramplifierbetweenoutputthesignalandthesignalreceivingdevicetosupplementthepowerneeded.Thekeycomponentsinthecircuitisthetransistor,theprincipleistheuseoftransistoramplification.TheenergyoftheDCpowerwastransformedintothecurrentenergyoftheoutputsignalbyCurrentcontrolaction.Bythemulti-levelcircuit,throughcontinuouscurrentandvoltageamplification,Thepoweramplificationofthecircuitiscompleted.
ThiscourseisdesignedwiththebasiccomplementarysymmetricalcircuitOCL,whicheliminatestheneedforlargeoutputcapacitor.Theadvantageofitcanmakethelow-frequencysystemmoresmooth.AnotherlessondesignusingprotelandMultisimsoftwaretodrawschematicandPCBboardproduction,WeshouldControlcircuitdesignanddebugsomeofthemethodsandtechniques
Keywords:
outputfrequency,transistor,complementarysymmetry
1功率放大器的特点及OCL各模块工作原理
1.1功率放大器的特点
晶体管是功率放大器的核心元件，其原理是利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流能量。
若将小信号注入晶体管的基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的β倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流是原先的β倍的大信号，这现象即三极管的放大作用。
经过不断的电流及电压放大，就完成了功率放大。
在实际应用中放大电路并不是孤立的，在电路的输出端要接入放大对象，即待放大的的信号，同时放大电路必将经过放大或处理的信号送到负载，这就要求输出级除电压放大外，还要提供一定的功率。
事实上，各种放大电路的本质都是对能量的转换和控制，无论哪种组态的放大电路，无论有无电压或电路流放大作用，均有功率放大作用。
功率放大电路只不过是强调电路的侧重点不一样。
区分并不是很严格。
但要注意的是功率放大器的负载都是低阻值的负载，在各种电压放大器组态中，共射极放大电路和共基极放大电路的负载能力差，无法驱动低阻值的负载，负载能力最强的电压放大电路是共集极放大电路，所以在各种功率放大器电路中的核心是共集电极放大电路。
在实际应用中，功率放大器有以下几个特点要重视：
（1）电路的输出功率是交变电流和交变电压的乘积，为得到需要的较大输出功率，驱动低阻值的负载，要求输出的电压幅值足够大，电流幅值足够大，所以电路中的晶体管处于大信号工作状态。
（2）功放电路中的晶体管处于大信号工作状态，要承受大的电压、电流，必然有相当大的管耗，当超过晶体管的额定管耗时就易烧毁。
电路设计使用中首先要考虑怎样充分地发挥晶体管功能而又不损坏晶体管。
由于电路中功放管工作状态常接近极限值，所以在功放电流调整和使用时要小心，不宜超限使用，同时注意电路的散热，另外尽量选择额定管耗大的晶体管。
（3）从能量转换的观点来看，功率放大电路提供给负载的交流功率是在输入交流信号的控制下将直流电源提供的能量转换成交流能量而来的。
任何电路都只能将直流电能的一部分转换成交流能量输出，其余的部分主要是以热量的形式损耗在电路内部的晶体管和电阻上，并且主要是晶体管的损耗。
对于同样功率的直流电能，转换成的交流输出能量越多，功率放大电路的效率就越高。
因为功率大，所以效率的问题就变得十分重要，否则，就会带来能源的浪费。
（4）功放电路的输入信号已经几级放大，有足够强度，这会使功放管工作点大幅度移动，所以要求功放电路有较大的动态范围。
功放管的工作点选择不当，输出会有严重失真。
同时由于晶体管的非线性，功率放大电路又工作在大信号工作状态，必然导致工作过程中会产生较大的非线性失真。
输出功率越大，电压和电流的幅度就越大，信号的非线性失真就越严重。
因而如何减小非线性失真是功率放大电路的一个重要问题。
1.2功率放大器的分类：
1.以晶体管的静态工作点位置分类,即常见的功率放大器按晶体管静态工作点Q在交流负载线上的位置不同，可分为甲类、乙类和甲乙类3种。
（1）甲类功率放大器
工作在甲类工作状态的晶体管，静态工作点Q选在交流负载线的中点附近。
在输入信号的整个周期内，晶体管都处于放大区内，输出的是没有削波失真的完整信号，所示它允许输入信号的动态范围较大，但是甲类功放在没有信号输入时也要消耗电源功率，这部分电源功率全部消耗在导通的晶体管和偏置电阻上，此时电路转换效率为零，当有用信号输入时，电源的功率也只有部分转换为有用信号，只有当信号越大，送给的负载的功率才越高，转换效率才增加。
所以其静态电流大、损耗大、效率低。
（2）乙类功率放大器
工作在乙类工作状态的晶体管，静态工作点Q选在晶体管放大区和截止区的交界处，即交流负载线和
＝0的交点处。
在输入信号的整个周期内，晶体管半个周期工作在放大区，半个周期工作在截止区，放大器只有半波输出。
当不输入信号或输入信号在晶体管不导通的半个周期内，晶体管没有电流通过,此时晶体管的功率损耗为零,故与甲类功放相比损耗小、效率高，但非线性失真太大。
如果采用两个不同类型的晶体管组合起来交替工作，则可以达到最小失真时的信号。
（3）甲乙类功率放大器
工作在甲乙类工作状态的晶体管，静态工作点Q选在甲类和乙类之间。
在输入信号的一个周期内，晶体管有时工作在放大区，有时工作在截止区，其输出为单边失真的信号。
甲乙类工作状态的电流较小，效率也比较高，电路只要有信号输入，晶体管就开始工作，因静态偏置电流很小，在输出功率，功耗和转换效率方面与乙类十分接近，但比乙类的低。
分析方法与乙类相同。
2.以功率放大器输出端特点分类：
（1）有输出变压器功放电路
（2）无输出变压器功放电路（又称OTL功放电路）
（3）无输出电容器功放电路（又称OCL功放电路）
（4）桥接无输出变压器功放电路（又称BTL功放电路）
在本课程设计中，我选择的甲乙类的无输出电容器功放电路OCL。
1.3功率放大器的个组成模块及原理
功率放大器用来对输入信号进行功率放大，在不同的使用场合下由于对输出信号的功率等要求不同，所以采用不同类型的功放电路。
一般情况下，功率放大器是一个多级放大器电路，主要有最前面的前置放大器，中级的推动级和最后的功放输出级电路组成。
如图1。
图1功率放大器电路组成框图
1.3.1中级驱动的基本放大电路工作原理
放大电路的两个作用一是针对变化量即交流量进行放大;二是实现能量转换，把直流电源能量转变成的信号能量。
日常中最基本、最常见的晶体管放大电路是共射级放大电路。
作为电压放大器，它能够把微弱的信号电压放大。
将输入的交流小信号电压叠加在直
流电压上，使晶体管基极、发射极之间的正向电压发生变化，通过晶体管的控制作用，使集电极电流有更大的变化，它的变量在集电极电阻上产生大的电压变量，从而实现电压放大。
要想实现放大电压作用，有二个要求：
第一，要有直流通路，即保证晶体管BJT发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置，使晶体管工作在放大区，以实现电流的控制作用。
第二，要有交流通路，使输入的待放大信号能加到发射结上，以控制三极管的电流，而且放大了的信号能从电路中输出。
图2基本共射极放大器
放大电路有两种工作状态：
直流工作状态和交流工作状态。
静态：
输入信号为零Vi=0时，放大电路中各处的电压电流都是不变的直流电的工作状态，称直流工作状态。
静态时，晶体管的IB，IC，VCE在特性曲线上确定为一点，称为静态工作点，常称为Q点。
在分析静态时，画直流通路的原则是大电容开路，大电感短路，直流电源不变，信号源短路，其直流通路如图3（a），然后利用估算法求解静态工作点。
其求解方法：
一个放大电路的静态工作点必须由这三个参数共同决定，通常所说的求静态工作点，就是求出三个参数的数值。
静态工作点在模拟晶体管放大电路中是很重要的，其设置主要目的就是防止交流信号不失真，静态工作点没有设置好，重者会产生截止和饱和失真，轻者不利与信号的放大。
静态工作点最好设置在负载上的中心，这样正弦信号的正半周和负正半幅值可以比较大，也不会失真。
要是设置比较偏了，要想不失真的话，只能输入很小幅值的信号。
图3共射极放大电路的直流通路和交流通路
输入信号不为零时，放大电路的各处电压电流都处于变动的工作状态，称交流工作状态。
在进行放大电路动态分析之前，必须先进行静态分析，当静态工作状态正确了，动态分析才有意义。
在进行动态分析时，画交流通路的原则是大电容短路，大电感开路，直流电源交流短路，其交流通路如图3（b），然后利用小信号模型分析法，小信号模型如图4，分别求解电压放大倍数Av，输入电阻Ri，输出电阻Ro，其计算方法：
电压放大倍数：
输入电阻：
输出电阻：
图4小信号模型
由动态工作分析法可用于电压放大倍数，特别是观察放大电路的最大不失真输出幅度，以及波形是否失真。
晶体管输出特性分为三个工作区域：
放大区，饱和区，截止区。
放大电路的目的是实现信号的不失真放大，即动态工作轨迹在输出特性的放大区。
一旦动态工作轨迹进入截止区或饱和区，将造成非线性失真。
一般的，当放大电路产生失真的原因有二个：
（1）Q点选择不当（过高或过低）：
（2）输入信号幅值过大。
Q点过高时，电路输出易饱和失真。
Q点过低时，电路输出易截止失真。
所以在电路中电阻值的选择很重要，关系到波形的失真与否。
1.3.2输入级差分放大器模块的工作原理
无输入信号时，输出仍有缓慢变化的电压产生，这种现象叫零点漂移。
其产生的原理VCC波动、温度变化引起管子参数变化，元器件参数老化等引起的Q点漂移，其中，温度变化引起的漂移是主要的，又称温漂。
温漂的存在是有害的，当漂移电压的大小可以同有效信号相比拟时，输出电压产生很大误差，甚至无法分辨。
可以等效的将温漂看作是一种干扰。
对于RC耦合放大电路，由于级间有耦合电容，各级Q点是彼此独立的，前级的零点漂移不会传递到后级，所以，其零漂不必考虑。
而对于直耦式放大电路，零漂却会逐级放大传递，第一级漂移的影响最大，而级数越多，增益越高，漂移越严重。
所以必须采取措施控制零点漂移。
本课程设计中，在输入级采用差分放大器作为输入端，可以达到较好的效果。
双端输入型电路如图5（a）。
图5差分放大器
如图所示，其中管Q1，Q2特性完全相同，并且每个晶体管都构成了共射极电路，其他电阻等参数也完全一样，一般的差分放大器可以分为双端输入，单端输入，双端输出，单端输出等4种类型。
输出为晶体管集电极电位之差。
电路可以采用双电源供电。
负电源保证晶体管发射结的正向导通，是晶体管能够正常的放大，Re电阻接在晶体管的发射结，具有负反馈的作用，能够稳定Q点，因此具有减少每一边电路的零点漂移的作用。
其主要参数：
差模信号：
共模信号：
其中当输入信号为差模信号时有：
；
当输入信号为共模信号时有：
差模电压增益：
输入差模信号时，电路的输出电压为电路的两个晶体管的集电极的电位变化的2倍，差模信号是电路的有效输入信号，差分电路对差模信号具有放大功能，其差模放大倍数等于单边电路的电压放大倍数，多使用一个晶体管并没有提高电压的放大倍数。
共模电压增益：
由于共模信号的大小相同，方向相同，一端增加多少，电路的参数也相同，另一端同样增加多少，所以输入共模信号时，理想状态下，T变化或电源的波动，将使两管的IC、VC产生相同的变化，双端输出电压基本不变，电路输出为零，电路完全抑制共模信号，同理，零点漂移引起的电压变化，也可以看成共模信号，所以利用差分放大器可以有效遏制温漂。
总输出电压：
共模抑制比：
由共模抑制比可以检验电路抑制共模信号的能力和放大差模信号的能力，有公式可以看出，Acd越大，Avc越小，
越大，电路的性能越好，是用来反映抑制零漂能力的指标。
另一方面，由公式我们可以看出，Re越大，共模抑制比越高，电路的性能越好。
但在实际的电路板中最好不出现大电阻，产生大损耗，发出热量多。
因此，在集成电路中常常采用用恒流源代替Re，如图5（b），恒流源的等效交流电阻很大并且利于集成电路制作，理想的恒流源的等效内阻为无穷大，此时甚至可以认为单端输出时的共模电压放大倍数也为0。
同时恒流源可以使发射结电流为恒定，从而保证了Q点的稳定。
1.3.3输出级功率放大器模块的工作原理
之前讲到过，工作在乙类方式下的放大电路，虽然晶体管的管功耗比较小，有利于提高效率，这对于输出大功率的功放十分重要，但存在严重的非线性失真，当功放用于音频系统中，会造成严重的声音失真，使得音频设备效果很差。
所以在此介绍乙类互补对称功率放大器，如图6（a），电路采用两个参数相同的互补对称晶体管，并且让他们都工作在乙类方式下，其中一个在信号的正半周期导通，另一个在信号负半周期导通，最后在想办法让正负半周期的信号都能加载在负载上，就可以在负载上得到一个非线性失真有很大改
善的完整波形。
如图，可以看出互补功放是由两个共集极放大器组成，两个射级跟随器的特点是输出电阻小，带负载的能力强，适合作为功率输出级，各个管静态时不去电流，减少静态功耗。
而在有输入信号时，两个晶体管轮流导通，互补了对方的不足。
其参数计算：
当输入为正弦波，则在负载电阻上的输出平均功率为：
式中，Vo为输出电压的有效值，Vom为输出电压幅值，Io为输出电流的有效值，Iom为输出电流的幅值。
当输出信号的幅值越大，电路输出的有用平均功率越大。
图6互补对称功率放大器
电源供给的直流功率Pv：
转换效率：
显然，当忽视晶体管的饱和压降，即Vom=Vcc时乙类双电源的效率最高，可达
。
但在实际中，晶体管的管压降为0.7V左右，在小信号输入时，输入信号很小时，达
不到晶体管的开启电压，而使两个三极管均不导通，输出电压为零，只有当输入信号稍大时，晶体管才可以为导通，但输出波形仍有一定程度的失真。
这种输入信号在正负半周期交替时过零点时，产生的失真称为交越失真。
消除交越失真的方法可以使用二极管和三极管做偏置电路，使之工作在近似乙类的甲乙类工作方式。
如图6（b）。
本次我做的课程设计中即使用的二极管和
扩大电路的甲乙类互补功率放大器。
该电路采用二极管加电压倍增电路，构成
扩大电路。
其中
晶体管Q4的发射结的外加电压
基本不变，只要调整电阻R1，R2的阻值使得
按Q2,Q3偏置电压的需要倍增就可以使电路的交越失真大为改善。
2基本互补对称功率放大器的设计
本次我做的课程设计是互补对称功率放大器OCL，即没有输出耦合电容的功率放大器，其主要特点是：
采用正负电源供电方式，输出端直流电位为零；由于没有输出电容，低频效果很好；输出端的电压比较恒定；在较低的供电电压的情况下，可以获得较大的功率输出；所以常用于一些输出功率要求较大的功率放大器中。
根据前面的模块基本原理，然后通过数值计算，来找到合适的元件参数，达到我所需要的课设电路要求。
差动放大电路电压放大倍数仅与输出形式有关，只要是双端输出，它的差模电压放大倍数与单管基本的放大电路相同，如果是单管输出，则它的差模电压放大倍数是单极管基本电压放大倍数的一半，输入电阻则都一样。
我设计的前级差动放大器如图7。
图7带恒流源的差动放大器
我用了恒流源来代替电阻
，电阻值近似无穷大，不但可以提高电路电压放大倍数，还可以提供
，稳定Q点。
设计了由晶体管Q2构成的电路输出恒定的电流，可以用来等效恒流源。
利用稳压二极管D2的稳压特性，其额定的稳压值有12V，进而达到输出恒定电流的目的，其计算方法：
其中Uz为稳压管的稳压值，
为三极管基射级的饱和压降。
估算Q点，两个对称晶体管的发射级电流：
差模电压放大倍数：
除此之外，由于在实际电路中，电路参数不可能完全一样，为了保证输入为零，就在要在差分电路中加上调零电阻R14，通过调节可以是电路更加稳定。
最终设计的总电路图如下，如图8
图8总电路图
3电路的仿真及实物调试
3.1Multisim软件仿真电路
在本课程设计中采用Multisim10对电路进行仿真，Multisim软件适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。
它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。
通过Multisim和虚拟仪器技术，我可以完成从基本原理设计到原理图的设计与仿真
这其中Multisim为用户提供了丰富的虚拟仪器，可以从Design工具栏选用这些仪表，在选用后，各种虚拟仪表都以面板的方式显示在电路中。
电路原理图在Multisim中画好后，本课设的主要要求是在低频小信号输入的情况下，通过电路进行功率放大，输出波形低失真的12W左右的功率信号。
首先我选择200Hz，50mV的正弦波作为输入信号，利用软件提供的虚拟仪器函数信号发生器作为激励源，如下图9。
图9输入信号为50Hz
信号由输入端进入，经过我设计的互补对称OCL电路后，由Multisim10进行仿真，本软件提供了虚拟仪器示波器和功率表，可以方便的查看仿真后的效果，形象的观察输出
波形和相应的输出功率。
主要操作是在负载的两端加上示波器，通过Simulation工具栏启动电路仿真，再双击示波器，查看仿真输出波形结果。
在开始的仿真中，我调节电位器R14，使其的阻值偏离中间值。
此时输出信号如图10。
图10电位器R14偏离很大时的输出信号
如图可看出，当电位器R14严重偏离时，产生的信号有很严重的失真，这是因为R14的调节影响到两个晶体管的Q值大小，此时Q值要么过高，要么过低，差分放大器两边的Q也不在相等。
即此时差分放大器抑制零点漂移及其共模信号的功能消失，等效成了普通的射级放大器，所以才会出现上述结果。
当我重新调节电位器时，调节到合适的位置，使得差分放大器的两边Q值基本一样，两边对称，同时保持输入信号不变。
在仿真观察效果。
如图11。
图11选择合适电位器时的输出信号
如图所示，当电位器选的合适时，输出信号为完整的正弦波，基本无失真，达到比较好的效果。
并且最终的仿真输出功率达到12W，满足课程设计的要求。
基本成功。
由以上分析可见，在晶体管交流工作时，必须要先新确定静态工作点Q，只有Q点合适时，输出才会有好的效果。
3.2实物的调试
在实际制作电路板时，由于我没有买到对应确定参数的元器件，只能选择在理论设计参数附近的元器件。
所以不可避免的出现误差，最终的输出功率结果与理论值不同。
同时所设计的电路板也有些问题，由于输出的功率为12W左右，输出电流也比较高，必须在电路板中采取相应的散热措施，并且选择大功率的三极管。
但我在实际的调试中，由于多次在正负双直流电源下工作，最终导致我的两个TIP41中功率的晶体管烧掉。
经过分析，我发现由于我的疏忽，竟然将两个晶体管TIP41直接连在了直流电源两端，没有加入限流电阻，导致输出功率和电流过大，烧掉晶体管。
而在电路的仿真中并没有发现不妥，看来仿真和真正的实物调试还是有相当差别的。
4通过Protel制作PCB板
在本次课程设计中，采用protel软件制作PCB，protel软件包含了电路原理图绘制，检查原理图电性能可靠性，多层印制电路板设计，电子表格生成等功能，使用起来非常方便。
在软件的使用中，首先画电路原理图，注意要将使用的元器件所在的元件库加载到页面文件中，同时编辑元件的属性，注意要加上元件的封装号，这是非常重要的，否则无法生成PCB板。
绘制原理图后，先测试用户设计的电路原理图的正确性，通过检验电气规则测试。
如图12。
图12电气规则检查
选择要测试的参数，然后点击确定，就可以查看检验的结果，此时根据结果可以进行修改。
接着就可以创建网络表了，如图13。
在protel软件中网络表是最重要的，它是连接原理图和PCB板的桥梁，必须重视。
图13生成网络表
生成成功后，就可以新建一个PCB文档，首先要将所用到的元件封装的封装库放入页面文件中。
并确保封装库中的封装号与原理图及网络表的封装号一致。
然后再PCB文档中引入网络表，如图14。
图14载入网络表
如图所示在载入中，没有出现错误，载入成功，如图15，生成全部元件的封装。
图15生成元件封装
然后自己进行元件封装的布局，摆放好元件的位置。
最后进行元件的自动布线，通过软件自动生成，如图16。
图16自动布线
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