辽 宁 工 业 大 学
模拟电子技术基础 课程设计（论文）
题目：OCL功率放大器
院（系）： 电气工程学院
专业班级： 学 号： 学生姓名：
指导教师： （签字） 起止时间：2012.07.02—2012.07.13
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本科生课程设计（论文）
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：电气工程学院 教研室：电子信息工程
学 号 课程设计题目 学生姓名 专业班级 OCL功率放大器 设计参数： 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. 额定输出功率P010W 3. 负载阻抗RL8。 课程设计（论文）任务 4. 失真度3% 5. 设计放大器所需的直流稳压电源。 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。 1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。（1天） 2、确定实验方式，设计OCL功率放大器电路图。（2天） 3、建立OCL功率放大各个环节框图。（2天） 4、绘制实验电路图，并对实验图进行实验说明。（2天） 5、对系统进行实验，确定参数，分析系统性能。（2天） 6、撰写、打印设计说明书（1天） 进度计划指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 II
本科生课程设计（论文）
摘要
在多级放大电路末级、集成功率放大器、集成运算放大器等模拟集成电路的输出级，往往要求具有较高的输出功率或要求具有较大的输出动态范围。这类主要用与向负载提供功率底放大电路称为功率放大电路。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，扬声器直接接在两输出管的输出端与地之间，功率放大电路类型很多，目前电子电路中广泛采用乙类（或甲乙类）互补对称功率放大电路，所以这里只对乙类（或甲乙类）互补功率放大电路进行分析。
关键词：功率放大器、互补放大电路、稳压二极管、电解电容、失真度
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目 录
第1章 绪论 .................................................................................................... 1 第2章 OCL功率放大器设计方案论证 ........................................................... 2 2.1 OCL功率放大器的应用意义 ...................................................................... 2 2.2 OCL功率放大器设计的要求及参数 .......................................................... 2 2.3 设计方案论证 ............................................................................................ 2 2.4 总体设计方案框图及分析 ........................................................................ 3
第3章 OCL功率放大器各单元电路设计 ....................................................... 4 3.1 直流稳压电源设计 .................................................................................... 4 3.2 前置放大级设计 ........................................................................................ 5 3.3 功率放大器设计 ........................................................................................ 6
第4章 OCL功率放大器整体电路设计 ........................................................... 7 4.1 整体电路图及工作原理 ............................................................................ 7 4.2 电路参数计算 ........................................................................................... . 9 4.3 整体电路性能分析 ................................................................................... 10
第5章 设计总结 ............................................................................................ 11
参考文献 ......................................................................................................... 12 附录 ................................................................................................................. 13
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第1章 绪 论
在多级放大电路末级、集成功率放大器、集成运算放大器等模拟集成电路的输出级，往往要求具有较高的输出功率或要求具有较大的输出动态范围。这类主要用与向负载提供功率的放大电路称为功率放大电路。功率放大电路类型很多，目前电子电路中广泛采用乙类（或甲乙类）互补对称功率放大电路，所以这里只对乙类（或甲乙类）互补功率放大电路进行分析。
放大电路按三极管在一个信号周期内导通时间的不同，可分为甲类、乙类以及甲乙类放大。在整个输入信号周期内，管子都有电流流通的，称为甲类放大，此时三极管的静态工作点电流ICQ比较大；在一个周期内，管子只有半周期有电流流通的，称为乙类放大；若一周期内有半个多周期有电流流通，则称为甲乙类放大。
甲类放大的优点是波形失真小，但由于静态工作点电流大 ，故管耗大，放大电路效率低，所以它主要用于小功率放大电路中。乙类与甲乙类放大由于管耗小模仿大电路效率高，在功率放大电路中获得广泛应用。由于乙类与甲乙类放大输出波形失真严重，所以在时间电路中均采用两管轮流导通的推挽电路来减小失真。
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第2章OCL功率放大器设计方案论证
2.1 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。
2.2 OCL功率放大器设计的要求及参数
设计参数：
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. 额定输出功率P010W 3. 负载阻抗RL8。 4. 失真度3%
5. 设计放大器所需的直流稳压电源。 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。
2.3 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
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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，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。
2.4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 OCL总体设计框图 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。
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第3章OCL功率放大器各单元电路设计
3.1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）
图2-1直流稳压电源设计
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3.2前置放大级设计
图2-2 前置放大级设计
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。
3.3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
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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：OCL功率放大器设计图）
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第4章OCL功率放大器整体电路设计
4.1整体电路图及工作原理
图2-1直流稳压电源设计
图2-2 前置放大级设计 7
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图2-3：OCL功率放大器设计图
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，
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保险丝熔断，保护了SP1和输出管。
4.2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
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
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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率，R11 = R13=（5～10）RiT5。（RiT5为VT5管的等效输入电阻，其大小为
RiT5=rbeT5+（1+βT5）。）由于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。
4.3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。
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第5章 设计总结
在实验的过程中，我发现OCL功率放大器和我们曾经做过的OTL功率放大器实验基本相同，所差的就是OCL有双电源，而OTL则是单电源。并且总结出前置放大器是用来放大弱信号的，一般都是先将信号通过电解电容来滤掉高频的噪音信号，然后进入负反馈的运放来放大信号。功率放大器一般指放大交流信号的功率，就是信号不失真的情况下放大用电器的电流和电压。
在完成这个设计之后，我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，我发现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。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。
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。在这个设计过程中，探索性主要可以体现在下面几个方面：一个是绘图所用的软件，老师推荐我们使用EWB512，但是这个软件其实在优点存在的同时也有很大的缺陷，在学习使用过程中我也深有体会，最初不会使用，觉得这个软件很复杂，但经过慢慢摸索发现这个软件其实很好使用，但是同时发现一个问题就是这个软件并不全面，有很多器件无法画出，这是这个软件的一大缺陷。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，计算出数据后进行仿真，发现近似性很好，能满足设计指标。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。
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参考文献
[1] 康华光主编·电子技术基础（第三版）（模拟部分）·北京：高等教育出版社 [2] 章忠全主编·电子技术基础实验与课程设计·北京：中国电力出版社 1999 [3] 实用电子技术手册编委会·实用电工电子技术手册·北京：机械工业出版社 2003 [4] 全国大学生电子设计大赛组委会·全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选·北京：
北京理工大学出版社 2003.3
[5] 韩广兴主编·电子元器件与实用电路基础·电子工业出版社 [6] 陈汝全主编·电子技术常用器件应用手册·北京：机械工业出版社 1994
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附 录
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 运放U1 电阻R4×2 电阻R5×2 元器件参数 2.5 kΩ 100 Ω 150 Ω 76 kΩ 1 kΩ NE5532 4 Ω 20 Ω 元器件名称 电容C1 电容C2 电容C3 电解电容C4 电解电容C5 电解电容C6 电解电容C7 元器件参数 10 μF 0.1 μF 0.1 μF 1 μF 47 μF 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
元器件参数 27 kΩ 1.5 kΩ 15 kΩ 3 kΩ 1 kΩ 27 kΩ 1 kΩ 12 kΩ 510 Ω 13
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 元器件参数 10 μF 100 μF 30 μF 20 pF 51 pF 200 μF 1 μF 1 μF 0.01 μF 本科生课程设计（论文）
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 15 Ω 150 Ω 15 Ω 150 Ω 30 Ω 2CP10 限流1mA 8 Ω 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 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。
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