畢業設計_功率放大器設計及multisim軟件仿真(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 受的最大反向電壓約為 2Vcc。 即集電極最大允許電流 ，因為當 Ic 過大時， β 值將會下降 ,放大能力差。 β 值下降到一定值時的 Ic 即為 Icm。則必須滿足： d. 溫度對 BJT 參數及特性都有影響，所以要考慮其工作溫度條件。 第二節 OCL 立體聲功 放機的設計 一． OCL 功率放大電路的 特 點 OCL 是英文 Output Capacitor less 的縮寫，意思是 “ 沒有輸出電容器 ” 的功放電路。 它 是一種 雙電源 互補對稱輸出的單端推挽電路，為甲乙類電路工作方式，是由 OTL（無輸出變壓器）電路改進設計而成的。它的特點是：前置、推動、功放及至負載揚聲器全部都是直流耦合的， 零輸入零輸出， 即省略了匹配用的輸入、輸出變壓器，也省略了輸出電容器，克服了低頻時電容器容抗使揚聲器低頻輸出下跌，低頻相 移的不足，以及浪涌電流對揚聲器的沖擊，避免了揚聲器對電源不對稱 ， 使正負半周幅度不同 而產生的失真， 為使零輸入零輸出特性，采用雙電源， 損耗低，效率高，保真度好， 成為當今大功率放音設備的主流電路 [6]。 二． 簡單的 OCL 功放電路 圖 24 簡單的 OCL 功放電路 omV m a xCM PPP ??CC(BR)CE O 2VU ?LCCCM RVI ?武漢工業學院畢業 論文 11 圖 24是乙類雙電源互補對稱功率放大電路。 V1 為 NPN 型管， V2 為 PNP 型管，兩管參數完全對稱，稱為互補對稱管 ,兩管構成的電路形式都為射極輸出器，電路工作原理分析如下 : 1) 靜態分析 由于電路無靜態偏置電 路，故兩管的靜態參數 IBQ、 ICQ、 IEQ 均為零，即兩個三極管靜態時都工作在截止區， 無管耗，電路屬于乙類工作狀態。負載上無電流，輸出電壓 uo=0。 2) 動態分析 (1) 當輸入信號為正半周時， ui0，且大于 V1 的 偏置電壓 ，三極管 V1 導通， V2截止，管 V1 的射極電流 ie1 經 +VCC 自上而下流過負載， 在 RL 上形成正半周輸出電壓，uo0。 (2) 當輸入信號為負半周時， ui 0，且大小大于 V2 的偏置電壓 ，三極管 V2 導通， V1 截止，管 V2 的射極電流 ie2 經－ VCC 自下而上流過負載，在 RL 上形成負半周輸出電壓， uo0。 （ 3）綜上，則 ui在 0左右變化的過程 中 uo 的輸出會在此產生交越失 真 。 三． 總體設計思想 進一步分析電路后，為 能 給電路提供較為穩定的電源，應設置一個穩壓源電路；又因為差分電路 不僅能有效的放大直流信號，而且能有效的減小由于電源波動和晶體管隨溫度變化多引起的零點漂移 ，并且具有很高的共模抑制 比，所以常將差分放大電路作為功放的輸入級；要將信號再進行放大 即電壓電流都要放大 ，因此 設置一個共射級的激勵級 ；最后輸出級應加一個推挽電路，由 兩 個 異型 晶體管 組成，可以是 兩個參數相同的功率 BJT 管或 MOSFET 管，以推挽方式存在于電路中，各負責正負半周的波形放大任務，電路工作時， 兩只對稱的功率開 關管每次只有一個導通，損耗小 且 效率高。 終上所述， 應將電路分為以下四個部分：穩壓源電路，差分輸入級，中間放大級，互補對稱輸出級。總體的結構圖如圖 25所示： 武漢工業學院畢業 論文 12 圖 25 OCL 立體聲功放電路的 總體結構圖 四． 分級設計電路 1. 穩壓源電路 交流穩壓電源又稱交流穩壓器 ，是將 電力網交流電壓變換為電子設備所需要的穩定的直流電源電壓。 直流電源的組成框圖及相關波形如下： 隨著電子技術的發展，特別是電子計算機技術應用到各工業、科研領域后，各種電子設備都要求穩定的交流電源供電，電網直接供電已不能滿足需要，交流穩壓電源的出現解決了這一 問題 。 一般將交流穩壓源可分為 : ① 晶閘管交流穩壓器。用晶閘管作功率調整元件 ,穩定度高、反應快且無噪聲 ,但 對通信設備和電子設備造成干擾。 ② 磁放大器式交流穩壓器。將磁放大器和自耦變壓器串聯而成，利用電子線路改變磁放大器的阻抗以穩定輸出電壓。 ③ 滑動式交流穩壓器。通過改變變壓器滑動接點位置穩定輸出電壓。 ④ 感應式交流穩壓器。靠改變變壓器次、初級電壓的相位差，使輸出交流電壓穩定 [7]。 直流穩壓電源又稱直流穩壓器。它的供電電壓大都是交流電壓，當交流供電電壓的電壓或輸出負載電阻變化時，穩壓器的直接輸出電壓都能保持穩定。穩壓器的參數有電壓穩定度、紋波系數和響應速度等。前者表示輸入電壓的變化對輸出電壓的影響。紋波系數表示在額定 工作情況下，輸出電壓中交流分量的大小；后者表示輸入電壓或負載急劇變化時，電壓回到正常值所需時間。直流穩壓電源分連續導電式與開關式兩類。從工作方式上可分為： ① 可控整流型。用改變晶閘管的導通時間來調整輸出電壓。 ② 斬波型。輸入是不穩定的直流電中間放大級 差分輸入級 互補對稱輸出級 穩壓源電路 武漢工業學院畢業 論文 13 壓，以改變開關電路的通斷比得到單向脈動直流，再經濾波后得到穩定直流電壓。 ③ 變換器型。不穩定直流電壓先經逆變器變換成高頻交流電，再經變壓、整流、濾波后，從所得新的直流輸出電壓取樣，反饋控制逆變器工作頻率，達到穩定輸出直流電壓的目的。 對一個 OCL 功率放大器而言，考慮到要提供一個 雙電源的穩定電壓，可以用一個帶中心抽頭的變壓器，輸出一正一負的電壓，再將交流信號進行整流和濾波，可以得到穩定的電壓 +18V和 18V，整流電路由四個二極管 IN4007 組成，濾波電容統一用四個 1000uF 的電解電容，電路設計如下： 圖 26穩壓源電路 如上圖所示，變壓器初級線圈加了一個 220V的交流電壓源，在次級線圈中產生兩個交流電源 +15V和 15V, 經過四個二極管整流后，在 A 點得到 +18V 的電壓，在 B 點得到 18V的電壓，提供直流電壓給后級的電路，為使輸出盡量不失真，又在后面加了四個濾波電容。 2. 差分輸入級 差分放大電路是 由兩個參數特性相同的晶體管 以 直接耦合方式構成的放大器。若兩個輸入端上分別輸入大小相同且相位相同的信號時，輸出為零， 輸出差模信號，抑制共模信號， 從而克服零點漂移 及輸入信號變化引起的靜態工作點的變化， 適于作直流放大器 [8]。 武漢工業學院畢業 論文 14 差分放大器是普通的單端輸入放大器的一種推廣，只要將差放的一個輸入端接地，即可得到單端輸入的放大器。很多系統在差分放大器的一個輸入端輸入信號，另一個輸入端輸入反饋信號，從而實現負反饋 ，使靜態工作點趨于穩定 。常用于電機或者伺服電機控制，以及信號放大。 對與該題目“ OCL 功放”，選擇兩個 9014 的 NPN 管即可，他們所有的參數都一樣，構成對管，并在兩管的發射極的交點處加上一個 33 千歐 的負載電阻，提高其共模抑制比，和加入一定的負反饋。另外，輸入端加上一個 10uF的電解電容，可以起到濾波的作用，同理，輸出端加 上一個 47uF 的電解電容。設計圖如下： 圖 27差分輸入級 如圖所示，為觀察信號的放大，應在輸入端加入一定的交流信號，觀察其輸出的信號，所以接上 IO1, IO2 接地端。輸出端也應相應的接個端口，和輸入對應。 3. 中間放大級 三極管對信號實現放大作用時在電路中可有三種不同的連接方式（或稱三種組態），即共（發）射極、共集 電極和共基極接法，這三種接 法分別以發射極、集電極、基極作為輸入回路和輸出回路的交流公共端。 由于共射極電路電壓電流增益都大于 1， 輸入電阻在三種組態中居中，輸出電阻與集電極電阻有關，適于低頻；共集電極放大電路只有電流放大作用，即只有電壓跟隨作用，輸入電阻高，輸出電阻小，頻率特性好；共基極放大電路只有電壓放大作用，輸入電阻小，輸出電阻與集電極電阻有關，高頻特性好。綜合考慮，中間放大級采用共發射極放大電路。 [9] 武漢工業學院畢業 論文 15 共發射極基本放大電路的采用的是 NPN 管。為保證放大電路能夠不失真地放大交流信號，放大電路的組成應遵循以 下原則： 1) 保證三極管 在整個輸入信號過程中 工作在放大區 2) 保證信號有效的傳輸 ，不會產生失真 對于改設計來說，用共發射極基本放大電路作為中間放大級就可以了，能夠達到將信號進一步進行放大的目的，設計圖如下： 圖 28中間放大 級 易得，輸入從基級輸入交流信號，從集電極輸出信號，顯然是個共射級的放大電路，可以起到中間放大的作用。 4. 互補對稱輸出電路 因為在大多數的實際應用中，單管的 BJT 組成的放大電路往往不能滿足特定的增益、輸入電阻、輸出電阻等要求，為此，常把三種組態中的兩種進行適當的組合，以便發揮各自的優點，獲得更好的性能。如下，輸出級是采用共射 共射放大電路，以提高放大增益。 互補推挽放大器 中的 “ 互補 ” 是 指： 采用兩種不同極性的三極管，利用不同極性三極管的輸入極性不同，用一個信號來激勵兩只不同極性的三 極管，這樣可以不需要有兩個大小相等、相位相反的激勵信號。電路中，一個是 NPN型三極管，另一個是 PNP型三極管，兩只三極管的基極相連，在兩管的基極加一個音頻輸入信號作推動信號。 兩管基極和發射極并聯，由于兩只三極管的極性不同，基極上的輸入信號電壓對兩管而言一個是正向偏置，一個是反向偏置。當輸入信號為正半周時，兩管基極同時電壓升高，此時輸入信號電壓給一管加上正向偏置電壓，所以該管進入導通和放大狀態。由于基極電壓升高，對另一管來講加上反向偏置電壓，所以該管處于截止狀態。 輸入信號變化到負半周后，兩管基極同時 電壓下降，給另一管正向偏置，使該管進入導通和放大狀態，而一管又進入截止狀態 [10]。 武漢工業學院畢業 論文 16 這種利用 NPN型和 PNP 型三極管的互補特性，用一個信號來同時激勵兩只三極管的電路，稱之為 “ 互補 ” 電路，由互補電路構成的放大器稱為互補放大器電路。由于兩個異極性管工作時，一只三極管導通、放大，另一只三極管截止，工作在推挽狀態，所以稱為互補推挽放大器。 互補對稱功率放大電路中，要求兩個功放管完全對稱，這對于大功率管來說實現起來比較困難。實際工作中，常常采用復合管的接法（達林頓管）來實現互補。 對于該設計，考慮到可能出現交越失真 ，所以應加入前向偏置電路，使輸出的波形不會出現嚴重的失真，這里用一個 220 歐電阻和一個二極管 IN4148來組成該偏置電路，克服交越失真。用一個 9014 的 NPN 管和一個 2N3055A 的NPN 管組成一個 NPN 的復合管；再用一個 9012 的 PNP 管和一個 2N3055A 的 NPN 管組成一個 PNP 的復合管，以使得這一對復合管是完全對稱的，達到輸出的要求。設計圖如下： 圖 29 互補對稱輸出電路 由上圖可知， VT4， VT6 組成的 NPN 管與 VT5， VT7 組成的 PNP 管構成推挽式電路，在 IN 端由信號時，兩個復合管輪流導電。 四 . OCL 功放電路 為達到完美的立體聲效果，采用雙通道，即左聲道和右聲道，右聲道的組成結構同左聲道相同，由三部分組成：差分輸入級，中間放大級和互補對稱輸出級，變武漢工業學院畢業 論文 17 壓器的輸出信號經過整流濾波后的信號為兩個聲道提供電壓。再加上兩對輸入端和輸出端，以便于計算機仿真和調試。 改設計是 典型的 OCL 電路，它具有穩定性高、頻響范圍寬、保真度好等優點，它 適合廣大電子愛好者和音響發燒友裝配使用。 最終的設計電路 OCL 立體聲功放電路如下： 圖 210 OCL 立體聲功放電路 由圖 210 易看出 ，揚聲器與放大器的輸出端是直接耦合，中間省掉了隔直流用的輸出電容，為了使電路輸出端的直流電位為零伏，采取了正負對稱電源供電，差分放大器輸入等措施。圖中 VT VT2 是差分放大輸入級， VT 3 是激勵級， VT4~ VT7是復合互補輸出級。音頻信號經過耦合電容 C1 和 R1 送到 VT1 的基極，經放大后，由 VT1 的集電極輸出， 并送至 VT 3