OTL功率放大器设计论文解读.docx

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OTL功率放大器设计论文解读

电子产品安装与调试实践

姓名：

张华蕊

班级：

通信（卓越）2012-1

学号：

20120610080302

教师：

黄德昌

摘要

功率放大器的作用是给音响放大器的负载（扬声器）提供一定的输出功率。

当负载一定时，希望是功率尽可能大，输出信号的非线性失真尽可能小，效率尽可能的高。

功率放大器的常见电路形式有OTL电路和OCL电路。

有用集成运算放大器和晶体管组成的功率放大器，也有专集成电路功率放大器。

本文设计的是一个OTL功率放大器，该放大器采用NPN和PNP晶体三极管组成互补推挽OTL功放电路。

由于每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，适合作为功率输出级。

本设计在通入正弦交流信号后，可输出放大的正弦信号。

关键词：

OTL功率放大电路晶体三极管输出正弦信号

Poweramplifierisusedforprovidepoweroutputfortheloadofaudioamplifier（speaker）.Wehopethepowercanbeaslargeaspossible,theoutputsignalofthenonlineardistortioncanbeassmallaspossible,andtheefficiencycanbeashighaspossible.ThecommoncircuitformsofthepoweramplifierareOTLcircuitandOCLcircuits.Andtherearesomewhichareconsistoftransistorpoweramplifierandoperationalamplifier,andtherealsohavealbumsintopoweramplifiercircuit.WedesignedaOTLpoweramplifierthistime,theamplifieradoptstheNPNandPNPtransistortoformcomplementarypush-pullOTLamplifiercircuit.Becauseeverypipejointintoemitterfollowerforms,ithastheadvantagesoflowoutputresistance,strongloadability,soitiswellusedforapoweroutputstage.Besides,wecanusetheproducttoincreasethesinesignal.

目录

TOC\o"1-3"\h\u摘要1

第一章绪论3

第二章总体方案设计4

2.1功率放大器的种类和特点4

2.2设计思路4

2.3OTL功放各级的作用和电路结构特征4

2.4功率放大器的几个主要指标要求5

2.5设计方案6

第三章硬件设计7

3.1OTL功放电路的选管7

3.2OTL电路的主要性能指标：

7

3.3实验设备与指标8

第四章系统调试与测试9

4.1功放电路的调试9

4.2参数测试10

第五章总结与展望11

第六章谢辞12

附录14

第1章绪论

功率放大器是机电一体化产品中不可缺少的部分，也是最基本的部分。

功率放大器发展至今有许多种类和应用，在工业方面有数控机床的电机驱动，有应用于新型磁轴承开关，也有在电力电子控制技术的应用。

在通讯方面有几百毫瓦的蜂窝电话发射机、有基站几十瓦的功率放大器、也有上千瓦的电视信号发射机。

但所有的功率放大器，其设计所遵循的基本规律几乎是相同的，而它的设计包含了电子电路技术、模拟控制理论、测试技术以及实现智能化的单片机控制技术等。

因此以电子管音频功率放大器设计制作作为载体。

实现兴趣与理论实践相结合，使整个设计过程不会枯燥无味，从而实现对功率放大器的理论学习，又进行一次高性能智能型产品设计。

同时通过实际设计与制作进一步巩固所学知识，在实际中锻炼自己，提高专业水平。

音频技术的发展史可分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。

1906年美国的德福雷斯特发明了真空三级管，开创了柔电声技术的先河。

1927年贝尔实验室发明了负反馈技术后使音频技术的发展进入了一个崭新的时代。

而1947年威廉逊先生在一篇设计Hi-Fi放大器的文章中介绍了一种成功运用负反馈技术成了Hi-Fi史上一个重要里程碑。

60年代由于晶体管的出现，使功率放大器进入了一个跟给广阔的天地。

晶体管放大器细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点，各种电路也相应产生。

直至70年代，晶体管放大电路的应用已经行当成熟，各种新兴电路不断出现，如，叫较功的解决了负反馈电路的瞬态失真和高频相位相位反转问题的负反馈放大电路；成功地将甲乙放大器的优点结合在一起的超甲类放大电路。

具有输出功率大，失真小的电流倾注式放大电路等等。

从而使晶体管放大器成为音响发展技术的主流。

在60年代初，美国首先推出音响技术中的新成员——集成电路，到了70年代初，集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等优点逐步被音响界所认识。

发展至今，厚膜音响集成电路、运算放大集成电路被广泛用于音响电路。

第2章总体方案设计

2.1功率放大器的种类和特点

功率放大器由于三极管工作状态和电路形式的不同，可分成不同的种类，按晶体管工作状态可分为：

甲类、乙类和甲乙类。

所谓甲类是指在整个信号周期内晶体管一直是导通的，它的集电极总有电流流过；乙类是指在信号的半个周期内晶体管导通，另半个周期晶体管截止；而甲乙类是介于甲类和乙类之间，晶体管导通时间大于半个周期，小于一个周期。

按照电路形式分：

有输出变压耦合功率放大器（OTL）和无输出变压器耦合功率放大器。

无输出变压器的乙类推挽功率放大器而言，OTL电路具有便于集成化，频率性好等优点。

2.2设计思路

功率放大器的作用是给负载提供一定的输出功率，当负载一定时，希望输出功率尽可能大，输出信号的非线性失真尽可能小，且效率尽可能高。

由于OTL线路采用直接耦合方式，为了保证电路工作稳定，必须采取有效措施抑制零点漂移。

为了获得足够大的输出功率驱动负载工作，故需要有足够高的电压放大倍数。

因此性能好的OTL功率放大器应有输入级、推动及和输出级等部分组成。

2.3OTL功放各级的作用和电路结构特征

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做低失真，低噪声放大。

为此，采用带恒流源的，有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：

主要作用是获得足够高的电压放大倍数，以及为输出级提供足够大的驱动电流，为此，可采用带集电极有源负载的共射放大电路，其静态偏置电流比输入级要大。

3）输出级：

主要作用是提供足够大的信号输出功率，可采用由复合管构成的甲乙互补对称功放或准互补功放电路。

此外，还应该考虑为稳定静态工作点须设置直流负反馈电路，为稳定电压放大倍数和改善电路性能须设置交流负反馈电路，以及过流保护电路等。

电路设计时，各级应设置合适的静态工作点，在组装完毕后需进行静态和动态测试，在小型不失真的情况下，使输出功率最大。

动态测试时，要注意消震和接好保险丝，以防损坏元器件。

2.4功率放大器的几个主要指标要求

（1）输出功率要足够大。

功率放大器的基本任务是放大信号功率，所以他是主要的技术指标也就是保证向负载输出足够大的信号功率。

为此，要求晶体管必须提供尽可能大的电压和电流，它经常要在接近管子的极限状态下工作。

这样，在设计功率放大器时，首先要根据输出功率的大小，选择合适的晶体管，以保证在大功率下管子能正常工作。

（2）效率要高。

功率放大器实质上是把小输入信号放大成大功率输出信号，这是一个将电源电能转换为信号能量，输送给负载的过程。

因此在电路中，存在一个转换效率问题。

如果能把电源供给的直流输出功率较多的变成交流输出功率则电路的输出效率就高。

反之，电路效率就低。

（3）非线性失真小。

功率放大器的晶体管工作在大信号放大状态，管子输入和输出特性曲线都存在着非线性，不可避免的会产生非线性失真。

应当正确的选择管子的静态工作点和集电极等效负载电阻。

另外根据输出功率的大小，适当选择激励极的内阻Rs（输出电阻），也可减少非线性失真。

2.5设计方案

方案结构框图

方案原理图

原理分析：

当输入信号处于正半周期时，T3导通，T2截止，于是T3以射级输出的形式将信号传递给负载，同时向C0充电，因为C0电容量大，其上的电压基本不变，维持在1/2VCC；当输入信号处在负半周时，T2导通，T3截止，已充电的C0充当T2的电源，同时放电T2也以射级输出形式将信号传输给负载，这样在负载上得到了完整的输出波形。

第三章硬件设计

3.1OTL功放电路的选管

对于电子管OTL功放的输出级，不是所有功率的电子管均能适用，必须选用符合如下条件的功率电子管才能取得良好的效果。

1.低内阻特性：

一般功率电子管的屏极内阻为10KΩ左右，不适用于OTL功放。

OTL功放须选用屏极内阻在200~800Ω的功率电子管。

这些低内阻功率电子管有6AS7、6N5P、6C33C—B、6080、6336等。

2.低屏压、大电流特性：

一般功率电子管的屏极电压均为400V左右，高平压电子管可达800~1000V，而OTL功放必须选用屏极电压在150~250V之间的低屏压、大电流特性的功率电子管来担任。

以上所列低内阻功率电子管均有低屏压、大电流的工作特性。

此外还有6C19、6KD6、421A、6146等功率电子管。

这些电子管本身具有低屏压、大电流的特性，但其屏极内阻稍高，应该多管并联才能适用于OTL功放。

3.采用新型OTL功放专用功率电子管

这类电子管不仅内阻较低，而且具有低屏压、大电流特性，如6HB5、6LF6、17KV6等。

为了降低电子管灯丝的功耗，许多用于OTL功放的功率电子管的灯丝电压提高到20~40V，以便于串联使用。

3.2OTL电路的主要性能指标：

1.最大不失真输出功率Pom

理想情况下

在实验中可通过测量负载两端的电压有效值，来求得实际的

2.效率n

n=Pom/Pe

Pe为直流电源供给的平均功率

理想情况下最大效率为78.5%。

在实验中，可测量电源供给的平均电流Idc，从而求得Pe=UccIdc，负载上的交流功率已用上述方法求出，因而也就可以计算实际效率了。

3.输入灵敏度

输入灵敏度是指输出最大不是真电路时输入信号的值。

3.3实验设备与指标

1、+5V直流电源

2、函数发生器

3、交流毫伏表直流电压表直流毫安表

4、晶体三极管PNP、NPN晶体二极管IN4007

8Ω扬声器、电阻器、电容器若干

第四章系统调试与测试

根据电路图做好电路板后，进行系统的调试与测试。

4.1功放电路的调试

静态工作点的调试

（1）通电前的检查。

电路安装完毕后，应先对照电路图按顺序检查一遍，一般的：

检查每个元件的规格型号、数值、安装位置管脚接线是否正确。

检查每个焊点是否有漏焊、虚焊和短路现象，线头和焊锡是否残留在电路板上。

检查调试所用仪器是否正常。

（2）静态调试。

用万用表逐级测量各级的静态工作点。

调节偏置电阻，使各级静态工作点正常。

若测量值与计算值相差太远的话，应考虑该级偏置电路是否有焊接问题或元件损坏，检查并修正。

将输入信号旋钮旋至零，电源进线中串入直流毫安表，将1KΩ滑动变阻器置于最小，10KΩ滑动变阻器置于中间位置。

接通+5V电源，观察毫安表指示，若电流过大，则断开电源检查原因，若无异常，则开始调试。

1）调节输出端中点电位Ua：

调节10K电位器，用直流电压表测量A点电位，使Ua=Ucc/2.

2）调整输出级静态电流及测试各级静态工作点：

调节1k滑动变阻器，使T2、T3管的Ic2=Ic3=5~10mA。

从减小交越失真的角度来看，应适当加大输出级静态电路，但电流过大，会使效率降低，所以一般以5~10mA为宜。

由于毫安表是串联在电源进线中的，因此测得的电流偏大，所以要想准确地测得末级静态电流，可从总电流中减去Ic1的值。

注意：

在调整1KΩ电阻时，一是要注意旋转方向，不要调的过大，更不能开路，以免损坏输出管

输出管静态电流调好，如无特殊情况，不得随意旋动1KΩ滑动变阻器的位置。

4.2参数测试

1．最大输出功率Pom和效率n的测试 

1）测量Pom

输入端接F=1KHZ的正弦信号Ui，输出端用示波器观察输出 

电压Uo波形。

逐渐增大Ui，使输出电压达到最大不失真输出，用交流毫伏表没出负载RL上的电压Uom，则 

  Pom＝Uom2/RL 

2）测量n 

当输出电压为最大不失真输出时，读出直流毫安表中的电流值，此电流即为直流电源供给的平均电流Iac（有一定误差），即此可近似求得Pe＝UccIcc，再根据上面没得的Pom，即可求出n=Pom/Pe。

2．输入灵敏度测试 

根据输入灵敏度的定义，只要测出功率Po＝Pom时的输入电压值Ui即可。

3．研究自举电路的作用 

1）测量有自举电路，且Po＝Pomax时的电压增益Av＝Uom/Ui。

2）半C2开路，R短路（无自举），再测量Po＝Pomax的Av。

 用示波器观察两种情况下的输出电压波形，并将以上两项测量结果进行比较，分析研究自举电路的作用。

4．噪声电压的测试 

测量时将输入端短路（Ui＝0）,观察输出噪声波形，并用交流毫伏表测量输出电压，即为噪声电压Un，本电路若Un＜15mV，即满足要求。

5．试听 

输入信号改为扬声器输出，输出端接试扬声器及示波器。

开机试听，并观察语言和音频信号的输出波形。

第五章总结与展望

在这次用模拟电子基础设计功率放大器的课程设计中，我学到了很多抹点理论方面和实践方面的知识，受益匪浅。

不仅锻炼了自己的动手能力，也加深了对模电功率放大器方面知识的理解。

我们最先要做的是绘制一份合理的功率放大器的电路图，然后制作实物。

因为在之前我们接触过简单的制板与焊接，以为会很轻松，但是这次出了焊接之外，还要考虑电路元件间的影响，也就是元件间的信号干扰问题，还要考虑元件连线的不相交及焊板面积的大、元件的摆放和连线的美观等问题，所以要想焊出一块既实用又美观的板子还要经过一番考虑和布置。

在这几天的实习过程中，我体会到要想创造一个使用的电子设备要经过很长时间的设计与改造，因为实际与理论有很大的差别。

在我们学习的过程中不仅考验了我们对知识的吸收和掌握，而且也考验了我们的细心和耐心。

在这次课程设计中，不仅提高了自己的设计能力和动手能力，更多的是看清了自己，明白了凡是需要耐心，实践是检验真理的唯一标准。

理论知识的不足在这次实习中表现得很明显。

这将有助于我今后的学习，端正自己的学习态度，从而更加努力的学习。

第六章谢辞

在这次课程设计中，黄老师采取的方式是引导而非教我们详细的原理和思路，这样的教学方法让我们有广阔的思路，可以在课程设计中加入我们自己的想法，并独立解决设计和制作过程中遇到的麻烦，而且在此过程中同学之间相互讨论相互帮助，不仅拓宽了我们的思路，也拉进了同学之间的距离。

所以首先要感谢黄老师的良苦用心。

其次，感谢我的同学们，在我画PCB遇到困难时，放下手中的工作来帮助我，在我的抢答器不能运行的时候，大家都细心的帮我检查问题，大家不但在制作过程中无私的给予帮助，也在精神上给我以鼓励，所以感谢同学们。

除此之外，要特别感谢我们的学习委员和班长，他们不顾自己的工作，每天帮同学们打印PCB，真正做到了无私的为班级付出。

在这几天，我真的觉得一个人的力量总是渺小的，要想变得强大，不妨把自己放到一个集体中，积极地起帮助被人，那样路会越走越宽。

附录

功率放大器实物图

功率放大器原理图

功率放大器PCB图