模电课程设计——OCL功率放大器的设计

目录
一、设计题目及要求 (1)
二、题目分析和设计思路 (1)
三、电路图及电路原理 (2)
四、电路参数确定 (4)
五、电路的功能和性能验证 (6)
六、设计成果 (6)
七、总结与体会 (9)
八、参考文献及资料 (9)
一、设计题目及要求
1. 设计题目
OCL功率放大器的设计
2. 设计要求
设计一个集成运放和晶体管组成的OCL 功率放大器。

设计任务：
⑴输入信号：有效值U i < 200mV.
(2) 最大输出功率：P> 5W.
(3) 负载电阻：RL=2(n
(4) 通频带：BW=80Z H- 10KH Z
二、题目分析和设计思路
1、题目分析
OCL功率放大器是一种直接耦合的功率放大器，它具有频响宽、保真度高、动态特性好及易于集成化等特点。

性能优良的集成功率放大器给电子电路功放级的调试带来了极大的方便。

集成功率放大电路还具有输出功率大、外围元件少、使用方便等优点，因此在收音机、电视机、扩音器、伺服放大电路中也得到了广泛的应用。

功率放大器可分为三种工作状态：(1)甲类工作状态Q点
在交流负载的中点，输出的是一种没有削波失真的完整信号。

(2)乙类工作状态
Q点在交流负载线和I B=0输出特性曲线的交界处，放大器只有半波输出。

(3)甲乙类工作状态Q点在交流负载线上略高于乙类工作点处。

乙类互补的电路会产生交越失真，可采用甲乙类互补电路来消除。

本次题目要求设计一个集成运放和晶体管组成的OCL功率放大器，输入信
号有效值为U i <200mV最大输出功率值为P>5W且负载电阻和通频带分别为：
RL=2(n和BW=80H Z10KH对于这个题目，可根据课本上所学的知识和基本OCL电路以及集成运放的有关知识来进行设计。

2、设计思路
首先，根据题目的分析确定目标，设计整个系统是由哪些模块组成，各个模块之间的信号传输，并设计OCL功率放大器的初步电路图。

并考虑要用到元器件有哪些？
其次，对系统进行分析，根据系统功能，选择各模块所用的电路形式和其具有的功能。

然后，进行参数的选择和确定，根据系统指标的要求，确定各模块在电路中的元件参数。

最后，得出总电路图，连接各模块的电路，并进行仿真和调试，多次重复得出正确的结果。

三、电路图及电路原理
1、四运算放大器
从集成运放的符号看，可以把它看作是一个双端输入、单端输出、具有高差模放大倍数和抑制温度漂移能力的放大电路。

运算放大器可用上图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中1、2为两个信号输入端，5、4为正、负电源端，3为输出端。

2为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；1为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同它在电路图中可构成反向比例运算电路。

2、基本OCL电路原理
VCC1 n T1
—VCC2
原理分析：在上图的OCL电路中，T1和T2特性对称，采用了双电源供电，静态时，T1和T2均截止，输出电压为零。

设晶体管b-e间的开启电压可忽略不计；输入电压为正弦波。

当ui>0时，T1管导通，T2管截止，正电源供电，电路为射极输出形式，u o~ ui.当ui<0时，T1管截止，T2管导通，负电源供电，电路也为射极输出的形，u o~ ui.既电路中T1和T2是交替工作，正、负电源交替供电，输出和输入之间双向跟随。

但这种互补的电路会产生交越失真，从而影响电路的性能。

为了消除这种交越失真可采用下面的电路图。

消除交越失真的OCL电路:
电路的原理：
静态时，从+VCC 经过R4 R5 D1、D2 R6到-VCC 有一个直流电流，它在 T1和T2管两个基极之间所产生的电压为
U BlB2=U R5+U Dl +U D2
使U B1B2略大于T1管发射结和T2管发射结开启电压之和，从而使两只管子 均处于微导通态，即都有一个微小的基极电流，分别为 I B1和|B2。

调节R2,可 使发射极静态电位为0V ，即输出电压U 0为0V 。

当所加的信号按正弦规律变化时，由于二极管 D1、D2的动态电阻很小， T1管基极电位的变化与 T2管基极电位的变化近似相等，可认为两管基极之间 电位差基本是一恒定值，两个基极的电位随 Ui 产生相同变化。

这样，当 Ui>0V 且逐渐增大时，T2管截止，当Ui<0V 且逐渐减小时，T1管截止。

这样，即使 Ui 很小，总能保证至少有一只晶体管导通，因而消除了交越失真。

3、总电路图
根据以上分析和设计，得初步的总电路图如下:
T D
D2
0 VCC
1
4
四、电路参数确定
1、 电源电压的确定：
(1)
交流电源200mV 由示波器提供。

(2) 直流电源电压的计算：
电源电压的高低，决定着输出电压的大小，而输出电压又由输出功率决 定，所以
指标给定了输出功率，即可求出电源电压：
V 2 (石
Vom) 因为巳二血 2— R L R L
所以输出电压最大值 V O =V 2R o RL=y 2X 5X 20=14.14V
当输出电压为最大值时，T1、T2接近于饱和，考虑到 T1、T2的饱和压降 及发射极电阻上的压降等因素，电源电压必须大于 V om ，他们之间的关系为
R ^^
IT2
2L.‘： c I VCT o J ■ R1
C1
T
V om 二V CC，一般取=0.6 ~ 0.8.
5
本次设计取n =0.8,这样，Vcc=Vom/0.8=14.14/0.8=17.7V ,则取电压Vcc=18V,-Vcc=-18V.
2、电路中各参数的确定
当电源电压Vcc确定后，T1和T2承受的最大电压为V cE max=2X 18=36V.
功率管的饱和压降V CES< 0.3V，若忽略T1、T2的管压降，则每个管的最大集电极电流Iemax=Vcc/(R7+R8+RL)
因为T1和T2的射极电阻R8 R9选的过小，复合管的稳定性差，而过大了又会损耗较多的输出功率，一般取R8=R9=(0.01〜0.1 ) RL,但相对来说R7、
R10取的要大一些。

已知RL=2(n，贝U R8=R9=0.025RL=0.025X 20=0.5 Q
F7=(V CC-U0-U CES U R8)/R7〜10K Q，由于电路的对称性，可得R1O 10K Q .
初步选择四运算放大器为LM1877 T1为2N3904, T2为2N5401,两个二极管为
1N4001.调试时再进行验证，若不正确，再进行修改。

中间R4 R5和两个二极管以及R6和三极管组成消除交越失真的OCL电路，考虑到电路前后的关系和影响，为保证中间电路的正常进行，R5、R6 不宜过大，最好是小于或等于R7和R10.而R4要较小，至少应为R5的千分之一。

U B1B2=U R5+U D1+U D2 Vcc=U R4+ U B1B2+ U R6 I=(Vcc-1.4)/(R 4+R5+R6)
R6=(Vcc-U R6)/I R5= U B1B2/I R4=(Vcc-U R6- U B1B2)/I
将已知条件代人上面的式子中就可得：
R5=R6^ 10K Q，R4^ 1 Q
对于C1和C2，因为输入的交流电压小为200mV所以其电容值也不宜过大，c1 是输入耦合电容，隔直通交，用于信号传递，取值0.1uF〜1uF，c2 起隔直流作用，取值为5uF〜1 5uF，.再根据电路进行调节。

5
最后，R1、R2、R3 及四运算集成放大器构成一个反相比例运算电路，也是一个电压并联负反馈电路,如下图：
R3
AAA/
R1
• ----- VxA/—•
贝U: R2=R1// R3，而且其值都不能太大，取R仁R3=5Q，贝U:
R2=R伙R3/(R1+R3)=5X 5/(5+5)=2.5K Q
五、电路的功能和性能验证
根据上面确定的参数结果进行验证，当+Vcc=18V, -Vcc=-18V，负载电阻RL=20Q时，由总电路图分析可得：
信号源输出有效值Vi=200mV(测量值)，输出得到负载端电压有效值
V0=14.1V,这与计算的Vom=14.14V相符。

电路总电流l=0.705A。

负载得到的功率
P0=9.94W 大于5W
毫无疑问此电路有放大的功能，输入Vi=200mV输出V0=14.1V，则电路的放大倍数为Auf=V0/V i =14.1V/200mV=70.5
在保证输入信号Ui大小不变的条件下，改变信号发生器的频率，用交流毫伏表测出U)=0.707Uom时，所对应的放大器上线截止频率f H和下线截止频率f i 分别为f l 〜83H Z，f H~ 12KF Z。

由以上分析可得验证的结果与题目的要求基本相一致，说明上面设计的电路图和确定的参数已基本正确。

六、设计成果
1、最终电路原理图：
6
7
2、信号发生器的输入信号：
当信号发生器输入信号值为141mV 寸，用万用表测得其输入电压的有效值
Ui=199.4mV W 200mV 如下图所示：
3、输入和输出波形
用示波器测量输入和输出波形，将示波器 A 、B 通道分别接到信号发生器输 出端和U 0
端，得波形如下图：
I —
斗
D 2
厶
T1
2N3604
D f Ohm
> h : I'.
RL
□hm
■ 1 Functron Generator
|
舷
<3 Multimeter
| 値9.4 卞
8
4、波特图仪通频带
用波特图仪测量通频带的结果如上图所示，贝U 得到其上限频率和下限频率 分别为:f L =84.63H Z , f H =12.48KH Z
5、元器件明细表
元器件代号
名称 型号
备注
U1 四运算放大器
LM1877 放大0〜24V 2W T1 三极管 2N3094 通用 60V 0.2A T2 三极管 2N5401 音频放大0.6A D1 二极管 1N4001 整流低频50V D2
二极管
1N4001 整流低频50V
|勺拎磁设置
R2 5 k Oh n
此外，还用到电阻11个，电容2 个，信号发生器1个，波特图仪1个，示波器1 个。

6、相关说明
电路用EWBE Multisim 进行仿真调试时，在工作界面上画出上面的总电路图，并标好参数值，注意不要弄错，进行调试和性能测试时，要注意元器件的使用，信号发生器和波特图仪的接点参数要正确。

七、总结与体会
为期一个星期的课程设计，让我对模拟电子技术有了更进一步的熟悉和了解，也让我知道我们课本上的知识在实际中怎么应用，怎么去操作。

尽管在实际中操作起来很困难，我还是克服了。

它和课本上的知识有很大联系，但又高于课本，一个看似很简单的电路，要动手把它设计出来就是比较困难的。

这就要求我们要把课本上所学到的知识和实际联系起来，同时通过本次电路的设计，不但巩固我们所学的知识，也使我们把理论与实践从真正意义上结合起来，增强了学习的兴趣，考验我们借助互联网络搜集、查阅相关文献资料，和组织材料的综合能力。

一开始，我刚拿到这个题目时觉的它还算简单，但是等到实际操作的时候很多问题就出来了。

但在老师的指导下，我结合课本和上课时老师讲述的知识，大量的查阅资料，慢慢的开始一点一点的有了解题的思路。

对它的兴趣也是越来越深，那种自己实际设计制作的快乐感觉是不曾有过的。

虽然快乐但课程设计的过程也是艰辛的，不过收获也是巨大的。

它不但加深巩固了对已有的知识的理解、认识和实际操作能力；而且因为这次课程设计的确在某些方面存有一定难度，这对我们来讲都是一种锻炼，培养了我们自学、查阅搜集资料的能力；再有，计算操作过程中，我们曾经面临过失败、品味过茫然，但是最终我们还是坚持下来了，这就是我们意志、耐力和心灵上的胜利，在今后的日子里，它必将成为我们的宝贵财富。

通过这次的课程设计，我深刻体会到了自己知识的匮乏，原来自己所学的东西只是一个表面性的，当然这次设计也使我学到了许多书本上学不到的东西，理论联系实际是我们学习中不可缺少的必要环节。

养成能吃苦能耐劳的良好习惯，和坚持不懈的品质是我们新时代大学生所必备的，还有同学之间相互帮助、鼓励也是值得发扬的。

在以后的学习和生活中，我会更加的努力去做好每一件事，我相信只要我不放弃，只要我坚持下去就会成功。

八、参考文献及资料
1. 《模拟电子技术基础》（第四版）华成英、童诗白主编，高等教育出版社，
2006。

2. 《模拟电子技术基础》（第四版）习题解答华成英主编，高等教育出版社。

9。