OCL音频功率放大器课程设计报告

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淮 海 工 学 院 课程设计报告书

题 目： 光电子元器件认知、制作

与设计（二）——模拟电子 技术课程设计

学 院： 理学院

专 业： 光信息科学与技术 班 级： 姓 名： 学 号：

2013年 12 月 20 日

课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸

目录

1 绪论 .......................................................................... 3 2 设计的目的和要求： ............................................................ 3 3 重要元器件的参考资料 .......................................................... 3

3.1 UA741集成运放 ........................................................... 3 3.2 三极管 .................................................................. 4 3.3 电容 .................................................................... 4 3.4 信号源 .................................................................. 5 4 OCL系统工作原理 ............................................................... 5

4.1 电路图 .................................................................. 5 4.2 OCL互补对称电路特点 ..................................................... 6 4.3 静态分析 ................................................................ 6 4.4 动态分析 ................................................................ 6 4.5 复合三极管 .............................................................. 7 4.6 OCL电路的优缺点 ......................................................... 7 5 元器件清单 .................................................................... 8 6 电路仿真测试 .................................................................. 8

6.1 仿真信号 ................................................................ 8 6.2 电路图 .................................................................. 8 6.3 调节放大倍数 ............................................................ 9 6.4 总谐波失真 ............................................................. 10 6.5 扩展OTL音频功率放大器电路 ............................................. 10 7 焊接与调试 ................................................................... 11

7.1 插面包板 ............................................................... 11 7.2 焊接电路 ............................................................... 11 7.3 电路测试 ............................................................... 12 7.5 电路板优化 ............................................................. 13 7.6 制作正负直流电源 ....................................................... 13 7.7 最后成品 ............................................................... 14 7.8 参加光电设计大赛 ....................................................... 14 8 出现的问题及解决 ............................................................. 15

8.1 入手 ................................................................... 15 8.2 仿真 ................................................................... 15 8.3 焊接 ................................................................... 15 9 总结报告 ..................................................................... 16 10 参考文献 .................................................................... 17 评语 ............................................................................ 18

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1 绪论

OCL功率放大电路是一种能量转换电路, 要求在失真许可的范围内, 高效地为

负载提供尽可能大的功率, 功放管的工作电流、电压的变化范围很大, 那么三极管 常常是工作在大信号状态下或接近极限运用状态, 有甲类、乙类、甲乙类等各种工作方式。为了提高效率,将放大电路做成推挽式电路, 功放管的工作状态设置 为乙类, 以减小交越失真。常见的音频功放电路在连接形式上主要有双电源互补推挽功率放大器OCL (无输出电容)、单电源互补推挽功率放大器OTL (无输出变压器)、平衡(桥式) 无变压器功率放大器BTL等。由于功放管承受大电流、高电压, 因此功放管的保护问题和散热问题必须重视。功率放大器可以由分立元件组成, 也可由集成电路实现。本课题主要设计一个OCL功率放大器，来满足设计要求。另外扩展OTL电路，OTL功率放大器，它具有非线性失真小，频率响应宽，电路性能指标较高等优点，也是目前OTL电路在各种高保真放大器应用电路中较为广泛采用的电路之一。

2 设计的目的和要求：

2.1 设计的目的

模拟电子技术课程设计是模拟电子技术基础课程的实践性教学环节，通过该教学环节，要求达到以下目的：

1. 使学生进一步掌握模拟电子技术的理论知识，培养学生工程设计能力和综合分析问题、解决问题的能力；

2. 使学生基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能力； 3. 熟悉并学会选用电子元器件，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。

2.2 设计要求

1.采用全部或部分分立元件设计一个OCL音频功率放大器；末级功放分立元件。 2.额定输出功率Po不小于2W。 3.失真度γ≤3%；

4.工作频率20~30KHz；（输入音频信号为各种音频音源的音频线路输出信号） 5.负载阻抗：8Ω 6.可使用实验室电源。

3 重要元器件的参考资料

3.1 UA741集成运放

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图1

1和5为偏置(调零端)，2为正向输入端，3为反向输入端，4接地，6为输出，7接电源 8空脚

3.2 三极管

（1）9012

PNP 50V 500mA 600mW 低频管 放大倍数30-90

（由于multisim软件元器库中没有9012，可用2SA1015代替） （2）9013

NPN 20V 625mA 500mW 低频管 放大倍数40-110

（由于multisim软件元器库中没有9013，可用2SC1815代替）

（3）2n3055 （由于multisim软件元器库中没有2n3055，可用ZTX614代替）

功率30W左右 电流：6A 击穿电压：100V

电流 - 集电极 (Ic)（最大）：15A 电压 - 集电极发射极击穿（最大）：60V

Ib、Ic条件下的Vce饱和度（最大）：3V @ 3.3A, 10A 电流 - 集电极截止（最大）：700μA

在某 Ic、Vce 时的最小直流电流增益 (hFE)：20 @ 4A, 4V

3.3 电容

电容的作用：

在电路设计过程中,要用电容来进行滤波.有时要用电解电容,有时要陶瓷电容.有

时两种均要用到. 电解电容与陶瓷电容一般用在IC的电源与地之间,起滤波作用，陶瓷电容单独使用去耦作用.

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电解电容在电路中的作用:

（1）滤波作用：为了防止电路各部分供电电压因负载变化而产生变化，所以在电源的输出端及负载的电源输入端一般接有数十至数百微法的电解电容.由于大容量的电解电容一般具有一定的电感，对高频及脉冲干扰信号不能有效地滤除，故在其两端并联了一只容量为0.001--0.lpF的电容，以滤除高频及脉冲干扰.

（2）耦合作用：在低频信号的传递与放大过程中，为防止前后两级电路的静态工作点相互影响，常采用电容藕合.为了防止信号中韵低频分量损失过大，一般总采用容量较大的电解电容。

3.4 信号源

电脑声卡或板载声卡输出电压峰峰值为2V（峰峰值就是输出电压的正波峰与负波

峰的差值），输出电压有效值为0.707V

一般的CD/VCD/MP3/MP4/DVD机的音频输出电压为500mv-1000mv 所以仿真电路中的信号源设置为700Mv,尽可能的符号实际信号的要求。

4 OCL系统工作原理

4.1 电路图

图2

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电路讲解：

（1） 三极管T1、T3组成NPN复合管，三极管T2、T4组成PNP复合管，这两个复合

管组成准互补对称电路。

（2） R14、D1、D2的作用是在输出级的两个三极管T1、T2的基极之间产生一个偏压，

使静态的输出级的功率管中已有一个较小的集电极电流，即互补对称输出级工作在甲乙类状态，目的是减小输出波形的交越失真。 （3） 若出现交越失真，可以增大R14的阻值。

（4） 注意：D1、D2极性不能接反或者R14、D1、D2开路，否则会使功率三极管电流

急剧增大，可能会烧坏三极管。

4.2 OCL互补对称电路特点

（1）双电源供电

（2）输出端不加隔直电容。

4.3 静态分析

静态时，ui = 0V

T1、T2、T3、T4均不工作 uo = 0V

4.4 动态分析

ui>0,T1、T3导通T2、T4截止，IL=ICT3,RL上得到上正下负的电压。 ui<0,T2、T4截止T1、T3导通，IL=ICT4,RL上得到上负下正的电压。 参数计算

（1）、最大输出功率

2Vcc122Pom9W

2RL28（2）、直流电源供给晶体管集电极的直流功率

2122==11.46W PV82RL（3）、OCL互补对称电路的最大效率

22VCCPom=78.5% PV（4）、OCL互补对称电路功放管的管耗

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2VCCVcc0.2PT1max==0.2Pom=1.8W 22RL2RL（5）、晶体管的选择原则 Icm

VCC=1.5A RL（6）T3、T4的极限参数 管子的最大集电极电流 ICMVCC=1.5A RL最大集射间耐压值U(BR)CEO2VCC=24V

（7）前置放大集提供给复合管基极的电流最大值 IBm=

ICm

（8）开关J1、J2下拨，OTL电路中，C4两端电压UC4

VCC=6V 24.5 复合三极管

因为2N3055的放大倍数小，所以要加小功率管推动。

图3

4.6 OCL电路的优缺点

OCL音频功率放大器优点：

电路省掉大电容，改善了低频响应，又有利于实现集成化。

OCL音频功率放大器缺点：

三极管发射极直接连到负载电阻上，若静态工作点失调或电路内元器件损坏，将造成一个较大的电流长时间流过负载，造成电路损坏。实际使用的电路中常常在负载回路接入熔断丝作为保护措施。

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5 元器件清单

名称 集成运放 二极管 型号 uA741 ·主要参数 数量 1 2 1N4148 9012 9013 1 1 功率30W左右 电流：6A 2 击穿电压：100V 470uF 1 1 2 2 2 2 2 2 2 1 1 2 1 1 1 三极管 NPN功放2n3055 瓷片电容 瓷片电容 电容 100nF 1uF 11K 100 240 1K 电阻 18 1 30 47K 4K 滑动变阻器 万用板 蜂鸣器(喇叭) 100K 7*9CM 6 电路仿真测试

6.1 仿真信号

仿真电路中输入音频信号用函数发生器代替频率1kHz振幅700mV

6.2 电路图

当输入为正弦信号时输入（红色波线）、输出（蓝色色波线）波形如图4所示：

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XSC1 红色线为信号源输入、蓝色线为输出

XSC2 绿色线集成运放输出、紫色线为功率管基极 R15恰为37%时紫色正弦波失真

图4

6.3 调节放大倍数

圈住的R2、R15可以调节放大倍数，如图5：

图5

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6.4 总谐波失真

如图6：

图6

6.5 扩展OTL音频功率放大器电路

双联开关上拨为OCL电路 双联开关下拨为OTL电路

图7

有波形可知，OCL与OTL电路放大效果一样

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7 焊接与调试

7.1 插面包板

图8

7.2 焊接电路

图10 图11

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7.3 电路测试

图12 峰峰值

输入：0.5V×2=1V 输出：5V×4=20V 放大倍数约20倍

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7.5 电路板优化

图13 图14

如图13 将多余的线去掉，接上音频输入输出插口并固定，方便接入和输出音频信号。 如图14 将正极VCC、负极VEE以及地线改为USB母座插口，即插即用，不用再麻烦判断，也避免了接错的情况。

如图15 电路板背面：

图15

7.6 制作正负直流电源

手机充电电源制作+5V、-5V双电源，并在输出端配USB公头，与电路板的USB母

座相配，直流电源正极、负极、地线三线一一对应。

输入为手机充电适配器，也可更换为USB公头，直接插在电脑或者双口移动电源

上以供使用。

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图16

7.7 最后成品

图17

7.8 参加光电设计大赛

图18

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8 出现的问题及解决

8.1 入手

（1）刚开始不知道从何入手，怎么办？

解决：看课本，看课后习题，上网查资料，翻阅参考书，并查找各元器件的作用。先仿真书上的基础电路以及别人的电路，从中寻找思路，绘出自己的电路。

8.2 仿真

（1）仿真软件multisim元器库中没有老师提供的元器件，怎么办？ 解决：寻找参数类似的元器件代替，如：三极管9012可用2SA1015代替；三极管9013可用2SC1815代替；三极管2n3055可用ZTX614代替。 （2）示波器波形混在一起，分不清怎么办？ 解决：更改示波器线的颜色。

（3）波形没有出来，不知道怎么回事？

解决：某个线没接好，仔细检查，发现问题，例如，刚开始下图的线没相交，检查后发现并改正。

→

8.3 焊接

（1）插面包板要注意哪些事情？

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2区的孔横向相邻孔是不通的，纵向的所有孔是短路的。1区的孔和2区的孔互不想通。刚开始没发现这个问题，最后才发现，又重连了一遍，造成了麻烦。 （2）用电阻代替负载，插面包板，测试时把负载烧了2次，怎么回事？T_T 解决：第一次烧是因为面包板有问题，上图1区和2区的孔竟然短路了⊙﹏⊙

第二次烧，就不知道什么原因了，最后怀疑面包板有问题，最终决定直接去焊电路！ （3）波形出不来，怎么回事？

解决：有的地方漏焊了，仔细检查，解决问题。例如下图：

这里三级管3个引脚有1个忘记连了。

这里不该连，却不小心连住了，剪断铜线就解决了。

（4）测试接入不方便，怎么办？

解决：改成对应的插座，即插即用~

（5）好不容易焊好的电路，害怕三极管烧坏怎么办？

解决：注意在接入电源之前，一定要检查好下图中的滑动变阻器阻值接到最小值，并在加电源后手频繁地触摸三极管，如果发现三极管过热，立刻断开电源。

（6）实物电子元器件，引脚不知道怎么接，怎么办？

解决：上网查资料，问老师。如UA741引脚的接法可以在网上找到，三极管e、b、c的判断，可以根据老师讲的方法用万用表测，以防万一，再跟同学对照一下。

9 总结报告

选题：之所以选这个OCL音频功率放大器课题来做，刚开始只是感觉音频放大器好玩一点，可以放出声音，跟我们生活联系的比较紧密，我们身边扬声器无处不在，根据自己所学的模电知识，做出来是感觉很棒的。

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查资料：由于校园生活过于忙碌，平时上课时并不太能跟上老师的进度，一般都是似懂非懂，要想自己做出来OCL音频功率放大器，必须对这方面的知识非常了解，所以我把跟这方面书上有关的功率放大、差分、反馈等相关知识都看了，并对照参考书把课后习题也看了，上网搜集了很多的OCL资料，可以说查资料占用了我相当多的时间，但是正是如此我也学到了很多。

动手：从仿真到焊接出最终的成品遇到了太多的问题，报告前边也有总结，我就不过多的说了，其实不止上边列出来的问题，其他还有很多，只是一时想不起来没有写上去。在我看来动手制作是相当锻炼人的能力与耐力了。将原来理论的东西转换为事物并不是自己原先想象的那么简单，还需要很多的锻炼，比如焊接的本领，布局方式，如何识别元器件都是需要相当多长时间的锻炼及经验的积累。

最后非常满意地焊出了OCL音频功率放大器，当它放出清晰的音乐时，我基本上快兴奋地跳了起来，革命尚未成功，还需努力，我以后会继续加油的，来满足自己的成就感。

10 参考文献

[ 1 ]《模拟电子技术基础简明教程》（第三版） 杨素行主编 高等教育出版社 [ 2 ]《模拟电子技术基础简明教程》同步辅导及习题全解 苏志平主编 中国水利水电出版社

[ 3 ]中国知网 hhit://www.cnki.net

[ 4 ]、百度知道 http://www.baidu.com

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评语：

该生从电路设计到焊接电路每一步做得都很认真，最后焊出的电路板刚开始有点问题，经过自己检查修正后，效果相当好，放出的音乐信号基本上没有失真，并且放大倍数很大。值得表扬的是该生并没有在放出声音后结束，而是对电路板进行优化，即插即用，用起来很方便。希望该生继续加油，以后更上一层楼。

成 绩：

指导老师：

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