OCL功率放大器+课程设计

辽 宁 工 学 院

电子技术基础（上）课程设计（论文）题目：OCL 功 率 放 大 器

院（系）： 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 起止时间：

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：信息科学与工程学院 教研室：电子信息工程教研室 学 号 课程设计（论文）题目 学生姓名 专业班级 OCL 功 率 放 大 器 设计任务： 1. 采用全部或部分分立元件设计一种OCL音频功率放大器。 2. 设计放大器所需的直流稳压电源。 设计参数： 1. 额定输出功率P010W。 课程设计（论文）任务2. 负载阻抗RL8。 3. 失真度3% 设计要求： 1. 分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。 2. 确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。 3. 设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。 4. 组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。 成绩： 指导教师签字： 年 月 日 指导教师评语及成绩 辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文）

目 录

第1章 OCL功率放大器设计方案论证 ................................................................................. 1

1.1 OCL功率放大器的应用意义 ......................................................................................................... 1 1.2 OCL功率放大器设计的要求及参数 ............................................................................................. 1 1.3 设计方案论证 ................................................................................................................................. 1 1.4 总体设计方案框图及分析 ............................................................................................................. 2

第2章 OCL功率放大器各单元电路设计 ............................................................................ 2

2.1 直流稳压电源设计 ......................................................................................................................... 2 2.2 前置放大级设计 ............................................................................................................................. 3 2.3 功率放大器设计 ............................................................................................................................. 4

第3章 OCL功率放大器整体电路设计 ................................................................................. 5

3.1 整体电路图及工作原理 ................................................................................................................. 5 3.2 电路参数计算 ................................................................................................................................. 6 3.3 整体电路性能分析 ......................................................................................................................... 8 3.4元器件清单列表 ............................................................................................................................ ...................................................................................................................................................................... 8

第4章 设计总结 ................................................................................................................................ 9 参考文献 .................................................................................................................................................. 10

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第1章 OCL功率放大器设计方案论证

1.1 OCL功率放大器的应用意义

OCL(Output Capacitorless无输出电容器)电路是采用正负两组对称电源供电,没有输出电容器的直接耦合的单端推挽电路,负载接在两只输出管中点和电源中点. OCL功率放大器是在OTL功率放大器的基础上发展起来的一种全频带直接耦合低功率放大器，它在高保真扩音系统中得到了广泛应用。 1.2 OCL功率放大器设计的要求及参数

本次课程设计需要采用全部或部分分立元件设计此OCL音频功率放大器。并设计出此功率放大器所需的直流稳压电源。设计参数如下所示： 1. 额定输出功率P010W。 2. 负载阻抗RL8。 3. 失真度3%

1.3 设计方案论证

根据本课题要求，我们所设计的低功率放大器应由以下几部分组成：直流稳压电源、前置放大及功率放大。以下逐一加以设计及论证。

1. 电源部分

本设计的电源通过变压器变为25 V交流电，经整流滤波得到±31 V的直流电；同时直流电再经三端集成稳压电路输出±15 V，供应前置放大电路和功率放大器使用。

2. 信号放大部分

前置放大电路采用低噪声双运放，分别以相同放大的方式，作为左右通道的信号放大。 功率放大电路由三部分组成：输入级、推动级和输出级。输入级由有两个三极管组成差分放大电路，推动级由一个三极管组成，输出级由两个三极管对称构成。两输出管分别由正、负两组电源供电，

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扬声器直接接在两输出管的输出端与地之间，同时应使本功放工作在甲乙类状态。

1.4 总体设计方案框图及分析

总体设计方案框架图：（如下图1-1所示）

输 出 图1-1

分析：本设计采用市电供电，将市电220 V通过变压器变成±24 V的直流电，供前置放大器与功率放大器使用。输入信号通过前置放大电路进行初步放大，再经过功率放大器进行进一步的放大。最后通过输出端输出，即得到所需。

第2章 OCL功率放大器各单元电路设计

2.1 直流稳压电源设计

220 V市电经变压器输出两组独立的25 V交流电，大电容滤波得到±35 V直流电，再加一个0.1μF小电容滤除电源中的高频分量。考虑到制作过程中电源空载时的电容放电可在输出电容并上1 kΩ大功率电阻。另外这组直流电还要传给7824、7924来获得 ±24 V。

万一输入端短路，大电容放电会使稳压块由于反电流冲击而损坏，加两个二极管可使反相电流流向输入端起到保护作用。（如图2-1所示）

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图2-1

2.2 前置放大级设计

图2-2

前端放大功能是完成小信号的电压放大任务、提高信噪比，其失真度和噪声对系统的影响最大，是应该优先考虑的指标。我采用双运放NE5532（如图2-2所示）。实际制作中将它接成同相放大形式，运放反相端串联47 μF的电解电容，让交流信号全反馈，信号放大倍数1+Rf/R0,其中Rf为反馈电阻，在其上并联一个小电容抑制自激震荡，R0为负反馈对地电阻。为了更好的实现对信号的放大，我将放大倍数定为30 dB左右，取Rf = 76 kΩ,R0 = 2.5 kΩ，Avf = 1+76/2.5 = 31.4 dB,由于NE5532需要±3 V～±22 V的电源，所以在三端稳压块7815、7915供给的±24 V上加入两个电阻分压，电源用10μF、0.1μF电容去耦合。

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2.3 功率放大器设计

此功率放大器由三部分组成：输入级、推动级和输出级。其中VT1和VT2构成差分式输入级电路，VT3管构成推动级，VT4和VT5是推挽式互补对称输出级。

电路中，R4和C2是VT1和VT2的电源滤波电路；R5、R6和C3是负反馈网络；C4是高频负反馈电容；VD1是VT4和VT5的静态偏置二极管；C5是高频自励消除电容；R7用于调整复合管的微导通状态；R8、R9和C6构成自举电路；R10和R12构成平衡电阻；R11和R13可减少复合管的穿透电流，提高电路的稳定性；VT4、VT6以及VT5、VT7构成复合管；R14与C9为消振网络，可改善扬声器的高频特性；保险丝用于保护功放管和扬声器；C7与C8能消除直流电源意外产生的交流量；±VCC为直流稳压电源产生的±24V直流电。（如图2-3所示）

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第3章 OCL功率放大器整体电路设计

3.1 整体电路图及工作原理

图2-1

图2-2

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220V市电经变压器、桥式整流、滤波以及运放7824、7924可获得±24V的直流电。用此电源来给前置放大电路及功率放大器提供能量。

普通信号经由输入端输入到前置放大电路，电容滤除信号中的直流量，流入双运放NE5532放大。放大信号可经电阻、电容进行负反馈，通过测试后从输出端输出，形成初步放大信号。

初步放大信号流入由VT1、VT2组成的差分放大电路，由于差分放大电路的阻抗非常大，所以电压在此放大，此外它还具有使输出端的直流电压稳定在零电位上的作用。信号经过VT1、VT2后，再通过由R5、R6和C3组成的负反馈网络，其中由于C3的隔直作用，所以R5只有交流负反馈作用，R6具有较强的直流反馈作用，以使VT1至VT7各管工作稳定，使输出端静态电压稳定在0 V。另外，R5和R6一起还有交流负反馈作用。 C4是高频负反馈电容（电容超前补偿电路），以防止电路可能出现的高频自激。VD1是VT4和VT5的静态偏置二极管,它可使电路获得更好的温度补偿。同时为了解决电路的工作点偏置和稳定问题，加入R8、R9和C6组成的自举升压电路。推动级VT3也起到信号放大的作用。当信号正半周输入时，VT4、VT6导通、VT5、VT7截止，VT4、VT6由正电源供电。扬声器放出信号正半周的放大声音；当信号负半周输入时，VT5、VT7导通、VT4、VT6截止，VT5、VT7由负电源供电。扬声器放出信号负半周的放大声音，由于四只功放管上下的电路完全对称，所以输入信号的正、负半周得到了均匀的放大。功放的输出端与扬声器直接耦合，实现了全频带放大。在扬声器的两端并联R14与C9串联的消振网络，能改善扬声器的高频特性。因扬声器呈感性，易引起高频自激，而且产生瞬时过压，有可能损坏晶体管VT6、VT7，此容性网络并入可使等效负载呈阻性。考虑到如果电路出现故障，导致输出端静态不为0 V。由于SP1的直流电阻很小，这样会有很大的直流电流流过SP1和输出管，会使它们烧坏。在加入保险丝之后，如出现这种现象，保险丝熔断，保护了SP1和输出管。

3.2 电路参数计算

1. 确定电源电压参数：

为了达到设计要求，同时使电路安全可靠地工作，电路的最大输出功率Pom应比设计指标大些一般取Pom≈（1.5～2）Po。

由于Pom=V 2om/2RL,因此，最大输出电压为Vom=(2POMRL)1/2。考虑到输出功率管VT6和VT7的饱和压降，所以电源电压常取VCC=(1.2～1.5)Vom。

设计要求Po≧10W。所以由以上公式可得

Pom≈15～20 W

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Vom≈15.5～17.9 V VCC≈18.6～26.9 V

这里我取了LM7824,LM7924这两个运算放大器，它们所输出的电压为±24V，其他指标也均达到要求。因此它们可作为前置放大电路与功率放大器的直流稳压电源。 2. 确定功率输出管的参数：

[1] 输出功率管的参数选择。输出功率管VT6、VT7为同类型的NPN型大功率管，其承受的最大反向电压UCEmax≈2VCC,每管的最大集电极电流为ICmax≈VCC/Rl,每管的最大集电极功耗为PCmax≈0.2Pom。再选择两管时除了要注意β值尽量对称外，其极限参数应满足下列关系：

U(BR)CEO>UCEmax≈2VCC ICM>ICmax PCM>PCmax

所以，根据以上分析可得 U(BR)CEO>48 V

ICM>3 A PCM>3～4 W

这里我选择了两个3DD63C的管子，它们的参数基本符合以上分析的数据。

[2] 复合管的参数选择。VT4、VT5分别与VT6、VT7组成复合管，它们承受的最大电压均为2VCC，在估算VT4、VT5的集电极最大电流和最大管耗时，可近似为 ICmax≈(1.1～1.5)ICmax/β

PCmax≈(1.1～1.5)ICmax/β

所以选择VT4、VT5管时，其极限参数应满足

U(BR)CEO>2VCC ICM>ICmax PCM>PCmax

所以，根据以上分析可得 U(BR)CEO>48 V

ICM>0.33～0.45 A PCM>0.33～0.6 W

这里VT4我选择了3DG170H的管子,VT5我选择了3CK9D 的管子，它们的参数基本符合以上分析的数据。

3. 其他参数确定:

部分重要电阻的参数选择：电阻的选择很重要，太小会影响管子的稳定性，太大又会影响输出功

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率，R11 = R13=（5～10）RiT5。（RiT5为VT5管的等效输入电阻，其大小为RiT5=rbeT5+（1+β。）由T5）

于R10、R12为平衡电阻，故R10=R12=R11(R13)∥RiT5。所以，我将电阻的参数定为R10=R12=15Ω、R11=R13=150Ω。

R14与C9串联的消振网络的参数选择：R14与C9的取值视扬声器的频率响应而定，以效果最佳为好。我取R14=30Ω、C9=0.01μF。

电容及其他部件的参数选择：由于时间及资料的不足，此部分我仅凭自己的经验进行选择。R1=27kΩ、R2=1.5kΩ、R3=15kΩ、R4=3kΩ、R5=1kΩ、R6=27kΩ、R7=1kΩ、R8=12kΩ、R9=510Ω；C1=10μF、C2=20μF、C3=30μF、C4=20pF、C5=51pF、C6=200 pF、C7=1μF、C8=1μF。静态偏置二极管VD1选择2CP10。推动级三极管VT3选择3CG120B。

3.3 整体电路性能分析

此功放不仅能放大普通信号，还能放大一些极其微弱的信号。经过计算此功放的输出功率为12.5～20.8 W，失真度约为2.13﹪，基本符合设计要求。

3.4 元器件清单列表

稳压电源部分：

元器件名称 电桥D1(D1～D4) 电桥D2(D5～D8) 电阻R1 电阻R2 二极管D9 二极管D10 运放U1 运放U2 电解电容C9 元器件参数 IN5402×4 IN5402×4 1 KΩ/1W 1 KΩ/1W 2CP10 2CP10 LM7824 LM7924 10 μF 元器件名称 电容C1 电容C2 电容C3 电容C4 电解电容C5 电解电容C6 电解电容C7 电解电容C8 电解电容C10 元器件参数 0.1 μF 0.1 μF 0.33 μF 0.33 μF 2200 μF /35V 2200 μF /35V 2200 μF /35V 2200 μF /35V 10 μF 前置放大级部分：

元器件名称 电阻R0 电阻R1 电阻R3 电阻Rf 滑动变阻器Rw

元器件参数 2.5 kΩ 100 Ω 150 Ω 76 kΩ 1 kΩ 8

元器件名称 电容C1 电容C2 电容C3 电解电容C4 电解电容C5 元器件参数 10 μF 0.1 μF 0.1 μF 1 μF 47 μF 辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文）

运放U1 电阻R4×2 电阻R5×2 NE5532 4 Ω 20 Ω 电解电容C6 电解电容C7 10 μF 10 μF 功率放大器部分：

元器件名称 电阻R1 电阻R2 电阻R3 电阻R4 电阻R5 电阻R6 滑动变阻器R7 电阻R8 电阻R9 电阻R10 电阻R11 电阻R12 电阻R13 电阻R14 二极管VD1 保险丝 扬声器 元器件参数 27 kΩ 1.5 kΩ 15 kΩ 3 kΩ 1 kΩ 27 kΩ 1 kΩ 12 kΩ 510 Ω 15 Ω 150 Ω 15 Ω 150 Ω 30 Ω 2CP10 限流1mA 8 Ω 元器件名称 电容C1 电解电容C2 电解电容C3 电容C4 电容C5 电解电容C6 电解电容C7 电解电容C8 电容C9 三极管VT1 三极管VT2 三极管VT3 三极管VT4 三极管VT5 三极管VT6 三极管VT7 元器件参数 10 μF 100 μF 30 μF 20 pF 51 pF 200 μF 1 μF 1 μF 0.01 μF 3DG6 3DG6 3CG120B 3DG170H 3CK9D 3DD63C 3DD63C 注：电源部分元器件采用国际半导体命名方法，其他部分均采用国家半导体命名方法。

第4章

设计总结

在完成这个设计之后，我也有一定的思考，重新将自己的设计细细看了几遍，同时也把做同样设计的几个同学的设计借来观摩了一番。在进行对比和分析之后，又有很多所得。

一开始进行设计的时候，我基本上都是参照书本或者网上的例子进行，甚至就是按照它的步骤再做一遍。当然在初学阶段这未必不可以，这样做可以让我熟悉软件的操作环境，了解设计方法和步骤，更加深刻理解基本概念。但是等到自己设计的时候，我觉得就应该抛开例子，完全按照自己的思路独立进行，这样可能会在设计中碰到更多的问题，但是这样也能让我学到更多，而且在解决遇到的问题时会更加引发自己的思考，说不上创新，但可能会有新意产生，也就是自己的东西了。在这方面我做的也不是很好，所以设计之后再回想一下，里面自己的东西很少，这也是以后需要改进的地方。

这一点我想在任何一门课程的学习，在今后任何一行工作都是很重要的。如果没有探索性，我们只会走着前人走过的路，踩着前人踏过的脚印。在这这个设计过程中，探索性主要可以体现在下面几

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个方面。一个是绘图所用的软件，很多人推荐我们使用Protel、EWB等，因为这几个软件有它们很大的优势，在学习使用过程中我也深有体会，特别是EWB，功能很强大，基本上能满足我在设计中的任何要求。但是我们同样可以自己摸索，用其他差不多或者更好的软件。还有设计时所采用的公式，每个设计书上基本都有较为成熟的公式让我们参考。但它们不一定就是最好的，我们也可以到图书馆到网上去查阅更多的资料，比如在进行电路参数计算时我就发现书本的公式好象可能有印刷错误，在不能确定的前提下我去图书馆查阅资料，发现好几本参考书上计算参数时都是采用另一个公式，于是我暂时先采用这个公式，计算出数据后进行仿真，发现近似性很好，能满足设计指标。第三点，在整个设计过程中都会有很多的计算，如果靠笔算会很麻烦也不能保证准确性。这个时候我们就可以把以前学的本领用出来了VC、matlab都是很好的工具，利用它们编写一些小工具进行计算，大大方便了我们的设计，减少了设计中的机械性，何乐而不为呢？没有探索就没有创新，没有创新很可能就会被淘汰，在今后的学习和设计中，我也会更加注重这方面的锻炼和培养，希望会有所进步。

我的设计缺少系统性，在整个设计过程中探索性也不够。不过这毕竟是初次设计，我兴趣比较浓，积极性也挺高的，所以也做的比较早，而且设计的最后仿真结果都还不错，所以我给自己定位在良好偏上，以后还需要多学习多交流多研究，我相信我会有更大的进步。

参考文献

[1] 电子技术基础（第三版）（模拟部分）·康华光主编·北京：高等教育出版社 [2] 电子技术基础实验与课程设计·章忠全主编·北京：中国电力出版社 1999 [3] 实用电工电子技术手册·实用电子技术手册编委会·北京：机械工业出版社 2003

[4] 全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选·全国大学生电子设计大赛组委会·北京：北京理工大学出版社 2003.3

[5] 电子元器件与实用电路基础·韩广兴·电子工业出版社

[6] 电子技术常用器件应用手册·陈汝全·北京：机械工业出版社 1994

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