基于Multisim的设计与仿真毕业设计.docx

基于Multisim的设计与仿真毕业设计.docx

《基于Multisim的设计与仿真毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于Multisim的设计与仿真毕业设计.docx（44页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

基于Multisim的设计与仿真毕业设计

学士学位论文

基于Multisim2001的设计与仿真

摘要...1

第二章OCL立体声功放的设计思想6

第三章基于Multisim2001的仿真19

第一节Multisim概貌19

第二节用Multisim实现对元器件的管理20

第三节OCL立体声功放机的仿真21

第四章基于Multisim2001的研究25

第一节基于Multisim的OCL立体声功放电路的调试25

第二节OCL立体声功放电路的测试33

结论37

谢辞38

参考文献39

摘要

功率放大器是是在给定失真率条件下能产生最大功率输出以驱动负载的电路。

功率放大器实质上是个能量转换器，将直流供电电源能量转换成按输入小信号的规律变化，即要求输出信号的非线性失真尽可能小，且效率尽可能高。

因此采用OCL直接耦合电路方式，保证电路工作稳定，需要有足够高的电压放大倍数。

一般来说，性能好的OCL功率放大器应由输入级、推动级和输出级、稳压源等部分组成。

本文先介绍功率放大器的发展，再从简单的甲类、乙类功率放大电路入手，了解其工作原理和相应的优缺点后，在其缺点上改进和补充，设计出甲乙类功率放大器，再分级去设计各部分电路：

（1）、输入级：

主要作用是抑制零点漂移，保证电路工作稳定，同时对前级送来的信号作低失真、低噪声放大，提高输入阻抗高。

为此，采用带恒流源的，由复合管组成的差动放大电路，且设置的静态偏置电流较小。

（2）、推动级（激励级）的作用是获得足够高的电压放大倍数，以及给输出级提供足够大的驱动电流，为此，可采用带集电级的共射放大电路,其具有电压电流放大能力，其静态偏置电流比输入级要大。

（3）、输出级工作在大信号情形下，其主要作用是给负载提供足够大的输出信号功率，效率尽可能的大，要求输出阻抗低，带负载能力强，可采用由复合管构成的甲乙类互补对称功放或准互补功放电路。

（4）、稳压源电路：

交流稳压源电路为整个电路提供直流工作电流，使整个电路工作在最佳静态工作点。

在完成OCL功率放大电路的设计后，本论文基于Multisim软件仿真该电路，并在添加虚拟仪器后，进行静态和动态测试，过程中出现了波形交越失真的问题，通过分析和调试后，得到了符合要求的输出波形，然后测量了几个重要的参数，效率也达到了近似理想的78.5%。

最后进一步研究了该OCL功率放大电路，达到了设计的要求。

关键词：

功率放大器；OCL；失真；差分放大电路

Abstract

Poweramplifier'sfunctionisprovidingcertainoutputpowertoloadRL,whenRLiscertain,hopedthatthenonlineardistortionoftheoutputsignalissmallasfaraspossible,andtheefficiencyishighasfaraspossible.BecausetheOCLelectriccircuitselectstheconductivecouplingmethod,guaranteeingthecircuitisworkingstably,thereforeneedsenoughhighvoltageamplificationfactor.Therefore,efficientOCLpoweramplifiershouldconclude:

inputlevel,driverstageandoutputstage.

AlllevelsoffunctionsandcircuitstructurecharacteristicwhichmakeuptheOCLpoweramplifier:

⑴.Inputlevel:

Theleadingroleissuppressesazerodrifting,theguaranteecircuitworkisstable,simultaneouslythesignalwhichsendsbeforethelevelmakesthelowdistortion,alsothelownoiseamplification.Therefore,usesthedifferentialamplifyingcircuitwhichcontainstheconstantcurrentandmultiple-unittube,andsetsthestaticbiaselectriccurrentsmall.

⑵.Thedriverstagefunctionobtainsenoughhighvoltageamplificationvalue,aswellastheoutputstageprovidesenoughbigdrivecurrent,forthisreason,mayusetheamplifyingcircuitthewhichusethecollectionelectricitylevelaltogether,anditsstaticbiascurrentratioinputlevelmustbebiggerthantheinputlevel.

⑶.Theoutputlevel'sleadingroleisprovidingenoughbigoutputsignalpowertotheload,mayusethearmorclassBsupplementarysymmetricalpoweramplifierwhichconstitutesbythemultiple-unittubeorthesupplementarypoweramplifierelectriccircuit.

Inaddition,whichshouldalsobeconsideredisthatestablishingthestablestaticoperatingpointdirectscurrentforthenegativefeedbackcircuit,andalsoestablishingtheexchangenegativefeedbackelectriccircuitfortheregulatedvoltageenlargementfactorandtheimprovementelectriccircuitperformance,aswellasoverflowprotectioncircuitandsoon.Whendesigningcircuit,alllevelsofstaticoperatingpointshouldbedesignedappropriately,aftertheformationfinished,carryingonthestaticstateandthedynamictestisnecessary,intheundistortedsituation,makestheoutputtobebiggest.Whendoingthedynamictest,inordertoprotecttheprimarydevice,payattentiontokeepoffthevibrationandlinkthefuse.

Keywords：

Poweramplifier;Outputcapacitorless;Distortion

第一章前言

第一节功率放大电路的发展

音频功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域，几十年来，人们为之付出了不懈的努力，无论从线路技术还是元器件方面，乃至于思想认识上都取得了长足的进步。

现在让我们回顾一下功率放大器的发展历程：

一.早期的晶体管功放

半导体技术的进步使晶体管放大器向前迈进了一大步。

自从有了晶体管，人们就开始用它制造功率放大器。

早期的放大器几乎全用锗管来制作，但由于锗管工艺上的一些原因，使得放大器中所用的晶体管，尤其是功放管性能指标不易做得很高，例如，共发射极截止频率的典型值为4kHz，大电流管的耐压值一般在30V-40V左右。

这样，放大器的频率响应也就很狭窄，其3dB截止频率通常在10kHz左右，大大影响了音乐中高频信号的重现。

再加上功放管的耐压、电流和功耗三个指标相互制约，制作较大功率的OTL或OCL放大器不易寻到三个指标都满足要求的管子，所以不得不采用变压器耦合输出。

变压器的相移又使电路中加深度负反馈变得很困难，谐波失真得不到充分的抑制，因此这一时期的晶体管放大器音质是很差的[1]。

二.晶体管功放的发展和互调失真

随着半导体工艺的逐渐成熟，大电流、高耐压的晶体管品种日益增加，越来越多的功率放大器采用了无输出变压器的OCL电路或OTL电路。

最初的大功率PNP管是锗管，而NPN管是硅管，两者的特性差别非常显著，电路的对称性很差，人们更多采用的是准互补电路，通过小功率硅管与一只大功率的NPN硅管复合，得到一只极性与PNP管类似的大功率管，降低了电路因对称性差而招至的失真。

到了六十年代末，大功率的PNP硅管商品化的时候，互补对称电路才得到广泛的应用。

元器件的进步使晶体管功率放大器的技术指标产生了质的飞跃，在主观音质评价方面，也改变了过去人们对晶体管功放的看法，无论是在厅堂扩音、电台节目制作还是家庭重放，晶体管功放都被大量地采用，首次在数量上以压倒性的优势超过了电子管功放。

在商品化的晶体管扩音机中，相继出现了一些璀璨夺目的名机，如JBL的SA600，Marantz互补对称电路Model15等等。

尽管电子管的拥护者仍大量存在，人们毕竟能够比较公正地看待晶体管放大器了，认为晶体管机频响宽阔，层次细腻，与电子管机比较起来有一种独特的舱力，而不是简单的谁取代谁的问题[2]。

瞬态互调失真的大意是：

在直接耦合的晶体管放大电路中，为了得到很小的谐波失真度和宽阔平坦的频率响应，通常对整体电路施加深达40dB-60dB的负反馈，倘若在加负反馈前放大器的开环失真为10％，那么加上40dB的负反馈后，失真即可降低至0.1％，这是电子管功效难以做到的。

晶体管功放由于要施加40dB-60dB的负反馈，所以对一台增益要求为26dB的放大器，它的开环增益就要达到66-86dB。

三.现代功放的整体结构

现代音乐讲究各声部之间的乎衡与统一，美术以色彩搭配均衡、和谐为美，在服装设计中，常常采取看似不对称的设计，其实质也是为了取得视觉上的均衡。

上面所说的都是艺术，对称和平衡给人一种安定完美的感觉。

有意思的是，在功率放大器中，对称和平衡也有类似的效果。

最初采用对称设计的例子要算互补对称电路了，一上一下的两只异极性晶体管作推挽输出，不仅可以免除笨重的输出变压器，而且电路的偶次谐波失真在推挽的过程中被抵消了，保真度有了很大提高。

稍后，人们从运算放大器的设计中得到启迪，将左右对称的差动式电路用于功率放大器的输入级，电路的稳定性和线性都得到改善，这一结构直至今天都还有人采用。

如果以现代的眼光来审评，这一电路是显得过时了一点。

电路的主要缺陷在于电压推动级，因为Q1承担了提供电压增益的主要任务，必然是开环失真很大，频带狭窄。

除典型的OCL放大器外，单管放大的过载能力也很差，这一系列的缺点是不利于电路的动态性能的。

围绕着改进电压推动级的性能，人们相继提出了多种结构，共射-共基电路就是一个典型的例子。

但仍是一种不平衡的设计，这一限制来源于输入级。

如果把输入级变动一下，从互补推挽的集电极输出信号，那么电压推动级就可以再增加一组NPN管构成的共射一共基电路，做到推挽输出，这时电路也就非常对称平衡了，几乎达到了完美的程度，采用直接偶合的方式。

第二节功率放大器简介

一.功率放大电路的特点

功率放大电路的主要要求是获得一定的不失真（或失真程度在允许范围内）的输出功率，电路通常在大信号状态下工作，其工作特点和对电路的要求与电压放大电路有所不同，主要有：

（1）功率放大器的输出功率尽可能大，因而需要输出电压和电流的幅值足够大；

（2）功率放大电路在设计和调试过程中，必须把非线性失真限制在允许的范围内；

（3）电路末级的三极管都采用功率管，它的极限参数ICM、U（BR）CEO、PCM等应满足实际电路正常工作时的要求，并要留有一定的余量。

由于功率管的管耗较大，在使用时一般要加散热器，以降低结温，确保三极管安全工作；

（4）由于工作在大信号状态下，功率管消耗的功率较大，在使用时必须考虑转换效率和管耗问题。

二.功率放大电路的类型

根据功率放大电路中三极管静态工作点设置的不同，可分成：

甲类、乙类和甲乙类。

（1）甲类：

在甲类功率放大电路中设置合适的静态工作点，就能将直流电源提供的能量按输入小信号的变化规律转换为所需要的形式供给给负载。

表现出能对输入信号的整个周期进行放大，输出信号的非线性失真较小。

但有较大的静态工作电流，无论有无输入信号，三极管在整个周期内都导通，导通角为360°。

如图1-1（a）所示。

功放管的管耗大，电路的能量转换效率低。

在理想情况下，甲类放大电路的效率最高只能达到50%。

（2）乙类：

乙类功率放大电路的静态工作点设置在截止区，如图1-1（b）所示。

乙类功率放大电路基本上无静态电流，发射接正偏且大于发射节导通电压时才导电，输出信号产生严重失真，电路的能量转换效率高，理想情形，最大效率可达78.5%，但只能对半个周期的输入信号进行放大，导通角为180°。

（3）甲乙类：

甲乙类功率放大电路的静态工作点设置在放大区但接近截止区，如图1-1（c）所示。

克服失真，在结构上采用两只异型管组成对称互补电路，但由于引起交越失真，所以又给电路设置合适的静态工作点，使晶体管处于微导通，即工作状态介于甲类和乙类之间。

静态工作点较低，导通角为180°~360°，既能提高电路的能量转换效率，又能克服乙类功率放大电路的失真问题，目前应用较广泛[3]。

图1-1功率放大器的静态工作点

为进一步研究功放电路，先从比较简单又典型的乙类功率放大器入手，下一章重点介绍该类电路，一般分为：

OCL，OTL，BTL三种功率放大电路。

第二章OCL功放的设计思想

第一节OTL、BTL、OCL功率放大电路的比较研究

一、OTL功率放大电路即单电源互补对称功率放大电路

1.原理图如下：

图2-1互补对称式OTL功放电原理图

图2-1所示是互补对称式OTL功放电原理图。

采用阻容耦合方式，它具有非线性失真小，频率响应宽，电路性能指标较高等优点，是目前OTL电路在各种高保真放大器应用电路中较为广泛采用的电路之一。

2.工作原理：

其中由晶体三极管T1是推动级，共放射级电路，对前级电压电流进行放大，T2,T3是一对参数对称的NPN和PNP型晶体三极管，它们组成互补推挽OTL功放电路。

由于每一个管子都接成射极输出器形式，因此具有输出电阻低，负载能力强等优点，适合于作功率输出级。

T1管工作于甲类状态，它的集电极电流Ic1的一部分流经电位器RW2及二极管D给T2，T3提供偏压。

调节RW2，可以使T2，T3得到适合的静态电流作于甲乙类状态即处于微导通状态，以克服交越失真。

静态时根据零输入零输出特性要求输出端中点A的电位UA=1/2UCC，可以通过调节RW1来实现，又由于RW1的一端接在A点，因此在电路中引入脚.直流电压并联负反馈，一方面能够稳定放大器的静态工作点，同时也改善了非线性失真。

当输入正弦交流信号Ui时,经T1放大.倒相后同时作用于T2.T3的基极,Ui的负半周使T2管导通（T3管截止）,有电流通过负载RL,同时向电容C0充电,在Ui的正半周,T3导通（T2截止）,则已充好的电容器C0起着电源的作用,通过负载RL放电,这样在RL上就得到完整的正弦波。

C2和R构成自举电路,用于提高输出电压正半周的幅度,以得到大的动态范围[4]。

综上，该电路在静态时输出不为零，因此并不理想。

二.BTL功放电路

1.BTL电路的基本结构和工作原理

BTL（BridgeTransformerLess）功放电路又称作桥式平衡功放电路。

它实质上是两个特性对称的OTL放大器（或OCL放大器）的对称组合，其基本简易电路如图2-3所示。

即用一组电源Vcc（Vcc的大小与原OTL电路一样）供电，把两个OTL放大器的功率输出管VT1、VT2和VT3、VT4组成桥式接法，四只功率管分别是桥的四臂[5]。

图2-2BTL功放电路

静态时，由于OTL电路相互对称，因而电桥处于平衡状态，负载上无直流电流流动，则负载上的电压为0，即无负载影响，从而可以不接输出电容而采用直接耦合。

  动态时，输入信号由倒相电路分离，在同一时间内，分别输出正、负半周信号去推动这两组输出电路（即VT1、VT2和VT3、VT4）。

设在输入信号的正半周期间，倒相电路左边输出正信号使VT1导通，右边输出负信号使VT4导通，从而产生输出电流ic1流经负载，其流向为：

Vcc正极→VT1的C极→VT1的E极→RL→VT4的E极→VT4的C极→Vcc负极，在RL上得到正半周的输出信号。

这时，VT1、VT4导通；ICM1=Vcc/RL。

同理，在输入信号的负半周期间，倒相电路左负右正。

使VT2、VT3导通，信号电流ic2流经RL产生负半周输出信号，其流向为：

Vcc正级→VT3的C极→VT3的E极→RL→VT2的E极→VT2的C极→Vcc负极，且Icm2的大小也为Vcc/RL。

不论正半周或负半周，加于负载RL上的最大输出电压Vcm均为Vcc。

BTL电路的电流利用率高，可在低电源电压下得到较大的输出功率。

电路的输出中点，即扬声器中心始终保持零电位，因而，电冲击比其他无变压器电路要小得多。

此外，由于电路的对称性，使得同相输入干扰能基本上互相抵消，把偶次谐波干扰也减到最小程度，电路的交流声和失真度极小。

但一般情况下很难得到参数相同的OTL（或OCL）放大电路，所以经常不易采用该放大电路。

三．OCL功率放大电路

1.基本OCL功率放大器即双电源互补对称功率放大器

图2-3基本OCL功率放大器

图2-3电路中，VT1和VT2管分别是NPN型管和PNP型管，调节电路使VD1和VD2两端的电压满足VT1和VT2处于微导通状态，当输入信号处于正弦信号正半周时，VT2截止但必小与反向击穿电压U（BR）CEO，VT1承担放大作用，有电流通过负载RL；当输入信号处于正弦信号负半周时，VT1截止，VT2承担放大作用，仍有电流通过负载RL，在克服交越失真时输出电压uo为完整的正弦波。

这种互补对称电路实现了在静态时晶体管不取电流，由于电路对称，在负载上直流电源只提供半个周期的电流，按输入信号的形式转换到负载上，所以输出电压uo=0，而在有信号时，VT1和VT2轮流导电，组成推挽式电路。

上图所示的偏置电路是克服交越失真的一种方法，静态时，在二极管VD1、VD2上产生的降压为VT1和VT2管提供了适当的偏压，使之处于微导通状态。

以下参数分析均以输入信号是正弦波为前提，且忽略电路失真。

1）.输出功率Po

由于在输出端获得的电压和电流均为正弦信号，根据功率的定义得

（2.1）

式中，Uom、Iom分别是负载上电压和电流的峰值。

由式可见，输出电压Uom越大，输出功率越高，当三极管进入临界饱和时，且不产生饱和和截止失真时，输出电压Uom最大，其大小为：

Uom=Vcc-Uces.若忽略Uces，则理想情况下Uom≈Vcc

故负载上得到的最大输出功率为：

（2.2）

2）.直流电源提供的功率PE

因为静态时负载上无电压，所以两个直流电源各提供半个周期的电流，其峰值为Iom=Uom/RL。

故每个直流电源转换过来的

平均电流为：

（2.3）

因此两个电源提供的功率为：

（2.4）

输出最大功率时，电源提供的功率也最大：

（2.5）

3）效率η

输出功率与电源提供的功率之比称为功率放大器的效率。

一般情况下效率为

（2.6）

理想情况下，忽略Uces，则Uom≈Vcc，得到理想近似情况下电路的最大效率为

≈78.5%（2.7）

4）管耗Pv

直流电源提供的功率与输出功率之差就是消耗在三极管上的功率，即

（2.8）

由分析可知，当Uom=2Vcc/π≈0.64Vcc时，三极管总管耗最大，其值为

（2.9）

每个管子的最大功耗为:

（2.10）

5）功率管的选择

功率管的选择必须满足其极限参数且保有一定的余量才能满足实际情况即有Icm、Pcm和U（BR）CEO等主要参数，还要考虑其工作环境及一些特殊要求，若想得到最大输出功率，功率管的参数应满足下列条件：

a.功率管的最大功耗应大于单管的最大功耗，且要有一定的余量，即

b.功率管的最大耐压，即基极开路时集电极-发射极间的反向击穿电压。

因为这个电压的大小与BJT的穿透电流Iceo直接相联系，当管子的Vce增加，使Iceo明显增大时，导致集电结出现雪崩击穿。

即必须满足：

即一只三极管饱和导通时，另一只三极管承受的最大反向电压约为2Vcc。

c.功率管的最大集电极电流即集电极最大允许电流，因为当Ic过大时，β值将会下降,放大能力差。

β值下降到一定值时的Ic即为Icm。

则必须满足：

d.温度对BJT参数及特性都有影响，所以要考虑其工作温度条件。

第二节OCL立体声功放机的设计

一．OCL功率放大电路的特点

OCL是英文OutputCapacitorless的缩写，意思是“没有输出电容器”的功放电路。

它是一种双电源互补对称输出的单端推挽电路，为甲乙类电路工作方式，是由OTL（无输出变压器）电路改进设计而成的。

它的特点是：

前置、推动、功放及至负载扬声器全部都是直流耦合的，零输入零输出，即省略了匹配用的输入、输出变压器，也省略了输出电容器，克服了低频时电容器容抗使扬声器低频输出下跌，低频相移的不足，以及浪涌电流对扬声器的冲击，避免了扬声器对电源不对称，使正负半周幅度不同而产生的失真，为使零输入零输出特性，采用双电源，损耗低，效率高，保真度好，成为当今大功率放音设备的主流电路[6]。

二．简单的OCL功放电路

图2-4简单的OCL功放电路

图2-4是乙类双电源互补对称功率放大电路。

V1为NPN型管，V2为PNP型管，两管参数完全对称，称为互补对称管,两管构成的电路形式都为射极输出器，电路工作原理分析如下:

1）静态分析

由于电路无静态偏置电路，故两管的静态参数IBQ、ICQ、IEQ均为零，即两个三极管静态时都工作在截止区，无管耗，电路属于乙类工作状态。

负载上无电流，输出电压uo=0。

2）动态分析

（1）当输入信号为正半周时，ui>0，且大于V1的偏置电压，三极管V1导通，V2截止，管V1的射极电流ie1经+VCC自上而下流过负载，在RL上形成正半周输出电压，uo>0。

（2）当输入信号为负半周时，ui