OTL音频功率放大器设计.docx
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OTL音频功率放大器设计
摘要…………………………………………………………………………………Ⅰ
ABSTRACT……………………………………………………………………………Ⅱ
第1章绪论…………………………………………………………………………1
设计目的……………………………………………………………………1
设计思路……………………………………………………………………1
设计背景……………………………………………………………………1
-
国内外发展状况……………………………………………………………2
第2章设计介绍……………………………………………………………………3
2.1OTL音频功率放大器………………………………………………………3
2.2直流稳压电源原理…………………………………………………………5
第3章元器件及原理图简介………………………………………………………7
总原理图…………………………………………………………………7
OTL音频功放满足的具体性能指标……………………………………7
相关芯片结构图和资料……………………………………………………8
第4章安装与调试………………………………………………………………10
元件的安装………………………………………………………………10
元件的调试………………………………………………………………10
对面包板的检查…………………………………………………………11
性能测试………………………………………………………………11
第5章误差分析与计算……………………………………………………………13
5.1误差分析…………………………………………………………………13
5.2误差计算…………………………………………………………………13
、
结论…………………………………………………………………………………14
致谢………………………………………………………………………………15
参考文献…………………………………………………………………………16
附录
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摘要
本课程设计是在学完《模拟电路基础》、《模拟电路基础实验》之后的实做训练。
本报告其主要内容是设计并实现OTL功率放大器。
功率放大器的作用是给音响放大器的负载RL(扬声器)提供一定的输出功率。
当负载一定时,希望输出的功率尽可能大,输出信号的非线形失真尽可能的小,效率尽可能的高。
功率放大器的常见电路形式有OTL电路和OCL电路。
有用集成运算放大器和晶体管组成的功率放大器,也有集成电路功率放大器等。
本文设计的是一个OTL功率放大器,该放大器采用LM386集成功率音频放大器芯片,LM386音频放大器具有自身功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点,静态功耗低,约为4mA,可用于电池供电,广泛应用于录音机和收音机之中。
本次设计电路采用直流稳压电源供电。
关键词:
OTL功率放大电路;LM386音频放大器;功率放大;直流电源
ABSTRACT
Thiscourseisdesignedtocompletethe"AnalogCircuitFoundation","Analogcircuitbasicexperiment"afterthepracticetraining.ThemaincontentofthisreportistodesignandimplementOTLpoweramplifiers.Thepoweramplifier'sfunctionistogivetheaudioamplifierloadRL(speaker)toprovideacertainoutput.Whentheloadiscertain,itishopedthattheoutputpowerisaslargeaspossible,thenon-lineardistortionoftheoutputsignalisassmallaspossibleandtheefficiencyisashighaspossible.
]
ThecommoncircuitformsofpoweramplifiersincludeOTLcircuitsandOCLcircuits.Poweramplifierswithintegratedoperationalamplifiersandtransistors,aswellasintegratedcircuitpoweramplifiers.ThedesignofthispaperisaOTLpoweramplifier,theamplifierusingLM386setsuccessrateaudioamplifierchip,LM386audioamplifierhasitsownlowpowerconsumption,updateinternalchaingaincanbeadjusted,thepowersupplyvoltagerange,theexternalcomponentslessandtotalharmonicdistortionsmallandsoon,thestaticconsumptionislow,about4mA,Itcanbeusedforbatterypowerandiswidelyusedinrecordersandradios.ThisdesigncircuitusestheDCvoltagestabilizerpowersupply.
Keywords:
OTLpoweramplificationcircuit;LM386audioamplifier;Powersupply;Constantcurrent
第1章绪论
设计目的
1、学习基本理论在实践中综合运用的初步经验,掌握模拟电路设计的基本方法、设计步骤,培养综合设计与调试能力。
2、培养实践技能,提高分析和解决实际问题的能力。
(
3、掌握OTL音频功率放大器的设计方法,基本工作原理和性能指标测试方法。
4、通过一个OTL功率放大器的设计、安装和调试,进一步加深对互补对称功率放大电路的理解,增强实际动手能力。
设计思路
功率放大器的作用是给负载RL提供一定的输出功率,当RL一定时,希望输出功率尽可能大,输出信号的非线性失真可能小,且效率尽可能高。
由于OTL电路采用直接耦合方式,为了保证电路工作稳定,必须采取有效措施抑制零点漂移。
为了获得足够大的输出功率驱动负载工作,故需要有足够高的电压放大倍数。
因此,性能良好的OTL功率放大器应由输入级、推动级和输出级等部分组成。
设计背景
音频放大器已经有快要一个世纪的历史了,最早的电子管放大器的第一个应用就是音频放大器。
然而直到现在为止,它还在不断地更新、发展、前进。
主要因为人类的听觉是各种感觉中的相当重要的一种,也是最基本的一种。
为了满足它的需要,有关的音频放大器就要不断地加以改进。
进入21世纪以后,各种便携式的电子设备成为了电子设备的一种重要的发展趋势。
从作为通信工具的手机,到作为娱乐设备的MP3播放器,已经成为差不多人人具备的便携式电子设备。
陆续将要普及的还有便携式电视机,便携式DVD等等。
所有这些便携式的电子设备的一个共同点,就是都有音频输出,也就是都需要有一个音频放大器;另一个特点就是它们都是电池供电的。
都希望能够有较长的使用寿命。
就是在这种需求的背景下,D类放大器被开发出来了。
它的最大特点就是它能够在保持最低的失真情况下得到最高的效率。
高效率的音频放大器不只是在便携式的设备中需要,在大功率的电子设备中也需要。
因为,功率越大,效率也就越重要。
而随着人们的居住条件的改善,高保真音响设备和更高档的家庭影院也逐渐开始兴起。
在这些设备中,往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率。
这时,低失真、高效率的音频放大器就成为其中的关键部件。
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音频放大器的一种简单模拟实现方案是采用线性模式的晶体管,得到与输入电压成比例的输出电压。
正向电压增益通常很高(至少40dB)。
如果反馈环包含正向增益,则整个环增益也很高。
因为高环路增益能改善性能,即能抑制由正向路径的非线性引起的失真,而且通过提高电源抑制能力(PSR)来降低电源噪声,所以经常采用反馈。
国内外发展状况
1906年美国人德福雷斯特发明了真空三极管,开创了人类电声技术的先河。
1927年贝尔实验室发明了负反馈技术后,使音响技术的发展进入了一个崭新的时代,比较有代表性的如"威廉逊"放大器,较成功地运用了负反馈技术,使放大器的失真度大大降低。
至50年代电子管放大器的发展达到了一个高潮时期,各种电子管放大器层出不穷。
由于电子管放大器音色甜美、圆润,至今仍为发烧友所偏爱。
到了70年代初,集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等特点,逐步被音响界所认识。
发展至今,厚膜音响集成电路、运算放大集成电路被广泛用于音响电路。
70年代的中期,日本生产出第一只场效应功率管。
由于场效应功率管同时具有电子管纯厚、甜美的音色的特点,很快在音响界流行。
现今的许多放大器中都采用了场效应管作为末级输出。
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第2章设计介绍
OTL音频功率放大器
设计思路:
要求设计一个由二极管、三极管、电容、电阻等元件组合而成的OTL音频功率放大器。
其中二极管T1构成前置放大级,对输入信号进行倒相放大。
二极管T2、T3的参数一致,互补对称且均为共集电极接法,保证了输出电阻低负载能力强的优点,作用是对输入的信号进行功率放大。
在元件的选取方面,由于互补对称的两个三极管工作在共集电极的状态下,其电压增益接近且略小于1,功率增益主要靠它的电流增益来保证,所以电流放大系数β的选择很重要,一般要求要选的β值大一些,这样会使得两互补对称管的配对性好一些,功率增益提高一些,失真度减少一些。
设计方案:
1、前级放大电路设计:
本设计的前级放大电路主要运用到了负反馈电路。
负反馈电路主要是防止放大电路过载。
即当输入信号电流过大时,从放大后的输出端反馈给输入端一个负信号电流,用来抑制输入信号电流的继续增大。
反馈放大器由基本放大器反馈网络两部分组成。
2、功率放大电路设计:
输出功率较大的电路,应采用较大功率的功率管。
大功率管的电流放大系数β往往较小,且选用特性一致的互补管也比较困难。
在实际应用中,往往采用复合管来解决这两个问题。
在一个电子管的壳内装有两个以上电极系统,每个电极系统各自独立通过电子流,实现各自的功能,这种电子管称为复合管。
复合管是指用两只或多只三极管按一定规律进行组合,等效成一只三极管,复合管又称达林顿管。
采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。
通过整流电路变成单向直流电,但其幅度变化大即脉动大。
用滤波电路变成平滑、脉动小的直流电,即将交流成份滤掉,保留其直流成份。
通过稳压电路稳压,便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出供给负载RL。
[
3、OTL功放各级的作用和电路结构特征
功率放大器的作用是给负载RL提供一定的输出功率,当RL一定时,希望输出功率尽可能大,输出信号的非线性失真可能小,且效率尽可能高。
由于OTL电路采用直接耦合方式,为了保证电路工作稳定,必须采取有效措施抑制零点漂移。
为了获得足够大的输出功率驱动负载工作,故需要有足够高的电压放大倍数。
因此,性能良好的OTL功率放大器应由输入级、推动级和输出级等部分组成。
输入级:
主要作用是抑制零点漂移,保证电路工作稳定,同时对前级(音调控制级)送来的信号作低失真,低噪声放大。
为此,采用带恒流源的,由复合管组成的差动放大电路,且设置的静态偏置电流较小。
推动级的作用是获得足够高的电压放大倍数,以及为输出级提供足够大的驱动电流,为此,可采用带集电极有源负载的共射放大电路,其静态偏听偏信置电流比输入级要大。
输出级的主要作用是级负载提供足够大的输出信号功率,可采有由复合管构成的甲乙灯互补对称功放或准互补功放电路。
此外,还应考虑为稳定静态工作点须设置直流负反馈电路,为稳定电压放大倍数和改善电路性能须设置交流负反馈电路,以及过流保护电路等。
电路设计时,各级应设置合适的静态工作点,在组装完毕后须进行静态和动态测试,在小型不失真的情况下,使输出功率最大。
动态测试时,要注意消振和接好保险丝,以防损坏元器件。
"
图2-1OTL功率放大器实验电路
图2-2电路基本框图
直流稳压电源原理
直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。
1、电源变压器。
是降压变压器,它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压,并送给整流电路,变压器的变比由变压器的副边电压确定。
2、整流电路。
利用单向导电元件,把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电压,常用的整流滤波电路有全波整流、桥式整流。
此处用的桥式整流电路。
、
3、滤波电路。
将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除,从而得到比较平滑的直流电压。
4、稳压电路。
稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定,不随交流电网电压和负载的变化而变化。
图2-3直流稳压电源电路图
图2-4直流稳压电源框图
;
可调稳压电源的工作原理,电路如图2-4所示。
220V交流电经变压器降压,得到24V交流电。
再经Dl-D4组成的全桥整流,由C1滤波后得到33V左右的直流电压。
该电压经集成电路LM7815后得稳压输出。
调节电位器RP即可连续调节输出电压。
第3章元器件及原理图简介
设计原理
:
图3-1设计总原理图
以上原理图即表示OTL低频功率放大器。
其中由晶体三极管T1组成推动级(也称前置放大级),T2、T3是一对参数对称的NPN和PNP型晶体三极管,它们组成互补推挽OTL功放电路。
由于每一个管子都接成射极输出器形式,因此具有输出电阻低,负载能力强等优点,适合于作功率输出级。
T1管工作于甲类状态,它的集电极电流IC1由电位器RW1进行调节。
IC1的一部分流经电位器RW2及二极管D,给T2、T3提供偏压。
调节RW2,可以使T2、T3得到合适的静态电流而工作于甲、乙类状态,以克服交越失真。
静态时要求输出端中点A的电位等于Ucc的一半,可以通过调节RW1来实现,又由于RW1的一端接在A点,因此在电路中引入交、直流电压并联负反馈,一方面能够稳定放大器的静态工作点,同时也改善了非线性失真。
当输入正弦交流信号ui时,经T1放大、倒相后同时作用于T2、T3的基极,ui的负半周使T2管导通(T3管截止),有电流通过负载RL,同时向电容C0充电,在ui的正半周,T3导通(T2截止),则已充好电的电容器C0起着电源的作用,通过负载RL放电,这样在RL上就得到完整的正弦波。
OTL音频功放满足的具体性能指标
1、设音频信号为vi=10mV,频率f=1KHz。
2、额定输出功率Po≥2W。
3、负载阻抗RL=8Ω。
4、失真度γ≤3%。
(
在元件的选取方面,由于互补对称的两个三极管工作在共集电极的状态下,其电压增益接近且略小于1,功率增益主要靠它的电流增益来保证,所以电流放大系数β的选择很重要,一般要求要选的β值大一些,这样会使的两互补对称管的配对性好一些,功率增益提高一些,失真度减少一些。
相关芯片结构图和资料
LM386特性:
LM386的外形和引脚的排列如上图所示。
引脚2为反相输入端,3为同相输入端;引脚5为输出端;引脚6和4分别为电源和地;引脚1和8为电压增益设定端;使用时在引脚7和地之间接旁路电容,通常取10μF。
静态功耗低,约为4mA,可用于电池供电。
工作电压范围宽,4-12Vor5-18V。
外围元件少。
电压增益可调,20-200低失真度。
LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器,主要应用于低电压消费类产品。
为使外围元件最少,电压增益内置为20。
但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容,便可将电压增益调为任意值,直至200。
输入端以地位参考,同时输出端被自动偏置到电源电压的一半,在6V电源电压下,它的静态功耗仅为24mW,使得LM386特别适用于电池供电的场合。
图3-2LM386实物图图3-3LM386引脚图
LM7815的特性:
LM7815虽然是固定稳压电路,但使用外接元件,可获得不同的电压和电流。
一般的双电源(正负对称电源)都没有连续可调的功能,给使用带来一定程度上的不便。
用一块7815和一块7915三端稳压器对称连接,可获得一组正负对称的正负15V稳压电源。
如果能够提供足够的散热片,它们就能够提供大于的输出电流。
虽然是按照固定电压值来设计的,但是当接入适当的外部器件后,就能能获得各种不同的电压和电流。
主要特点:
1.过热保护;2.短路保护;3.输出晶体管SOA保护;4.输出电压有:
5V、6V、8V、9V、10V、11V、12V、15V、18V、24V;5.输出电流可达极限值(Ta=25℃);——输入电压(VO=5~18V)8.(VO=24V)θJC——热阻(结到壳)θJA——热阻(结到空气)——工作结温范围——贮存温度范围。
"
图3-4LM7815实物图图3-5LM7815引脚图
【
第4章安装与调试
元件的安装与设计
电路安装:
按照原理图正确连接电路,导线无交叉现象,焊点要实,不能虚焊,否则电路处于开路状态,导致实验不成功。
注意UA741度管脚7和4要接直流电源,其中7管脚接+12v,4管脚接-12v,LM386的4管脚接地,6管脚接+12v,5号管脚接输出,其他不要接的管脚都要焊上不能悬空.2、静态调试时,将输出端对地短接,用万用表测出该级输出端对地的直流电压。
动态调试时,输入端接入信号为10mv,频率为1khz,用示波器观察该输出级出现的波形。
并测量各项性能指标是否满足题目要求,如果相差很大,应检查电路是否接错,相应的接地是否接上,元器件是否符合要求,否则是不会出现很大的误差。
3、接通电源后,静置一会等待电路稳定后没出现故障再进行测量,若出现类似状况应立即断开直流电源,检查电路存在的问题再进行测量。
用示波器观察输出的波形,用万用表分别测量变压器,原、副边输出电压,滤波后的输出电压。
4.插入面包板上孔内引脚或导线铜芯直径为~,即比大头针的直径略微细一点。
元器件引脚或导线头要沿面包板的板面垂直方向插入方孔,应能感觉到有轻微、均匀的摩擦阻力,在面包板倒置时,元器件应能被簧片夹住而不脱落。
面包板应该在通风、干燥处存放,特别要避免被电池漏出的电解液所腐蚀。
要保持面包板清洁,焊接过的元器件不要插在面包板上。
电路设计:
1、前级放大电路设计:
本设计的前级放大电路主要运用到了负反馈电路。
负反馈电路主要是防止放大电路过载。
即当输入信号电流过大时,从放大后的输出端反馈给输入端一个负信号电流,用来抑制输入信号电流的继续增大。
反馈放大器由基本放大器反馈网络两部分组成。
2、功率放大电路设计:
输出功率较大的电路,应采用较大功率的功率管。
大功率管的电流放大系数β往往较小,且选用特性一致的互补管也比较困难。
在实际应用中,往往采用复合管来解决这两个问题。
在一个电子管的壳内装有两个以上电极系统,每个电极系统各自独立通过电子流,实现各自的功能,这种电子管称为复合管。
复合管是指用两只或多只三极管按一定规律进行组合,等效成一只三极管,复合管又称达林顿管。
、
元件的调试
1、静态工作点的调试
按上述原理图在电路板上连接线路,理论上,对于OTL电路,单电源供电时,只要调整Rw1,就能使中点A点的电位等于电源电压的一半。
在实际调试过程中,很多情况下,调整Rw1,A点的电位很难达到电源电压的一半,而且在调试后,也难保持这个电压。
解决方案如下:
首先,用万用表检查各个晶体管是否完好,特别是查看输出级功放三极管T2、T3和输出级二极管D是否被击穿短路或开路。
然后通电检查各级放大电路的工作点是否正常。
并重新调整放大器的工作点,使中点UA恢复正常。
而且,放大器的工作点和中点电压要反复调整,才能达到要求。
调节RW2,使T2、T3管的IC2=IC3=10~20mA。
从减小交越失真角度而言,应适当加大输出极静态电流,但该电流过大,会使效率降低,所以一般以10~20mA左右为宜。
由于毫安表是串在电源进线中,因此测得的是整个放大器的电流,但一般T1的集电极电流IC1较小,从而可以把测得的总电流近似当作末级的静态电流。
如要准确得到末级静态电流,则可从总电流中减去IC1之值。
2、放大器无输出,故障排除
从实验原理图中可知,输入信号要经过三极管T1的倒相放大后,在经过T2,T3进行功率放大,去推动输出级的喇叭工作,如果放大器完全没有输出,很可能就是因为两三极管b-e极偏压过小,不能保证两个三极管导通。
理论上,只要调整Rw1和Rw2使得二极管D和电阻Rw2提供的偏置电压能够满足T2,T3两三极管导通条件即可。
对面包板的检查
.
安装完毕后,必须在不通电的情况下,对面包板板进行认真细致的检查,以便纠正安装错误。
检查应特别注意:
1.元器件引脚之间有无短路。
2.电源的正负、负极性有没有接反,正、负极之间有没有短路现象,电源线、地线是否接触良好。
性能测试
1、电源部分性能测试:
实验测得:
副边电压:
U1=、U2=;滤波后的电压U1=、U2=;输出电压Uo1=、Uo2=;稳压管的差:
7812:
Uo1=、7912:
Uo2=
2、功能部分测试:
(1)输入信号:
Ui=、f=1000HZ
(2)LM386的静态部分输出,U5Q=
(3)LM386的最大不失真电压:
Uom=
(4)第一级放大倍数:
?
(5)第二级放大倍数:
(6)总电压放大倍数:
(7)
(8)
3、理论值:
(1)UA741部分的静态输出:
(2)LM386静态输出:
(3)LM386输出端最大不失真电压
`
第5章误差分析与计算
误差分析
1、参数设计不是非常完美;导致产生一系列的误差。
2、测量仪器本身的老化产生的误差。
3、焊接电路时焊点处有电阻被忽略,连接的线路也有电阻。
4、试验时间过长温度发生变化,使得一些元件的电阻发生变化。
5、连接电路时布局拉线太长了,导致产生了自激振荡,使得波形不好。
—
6、测量数据时读数产生的误差。
7、所选得集成块未能达到所要求的性能指标。
误差计算
放大倍数的误差:
最大不失真电压的误差:
《
结论
通过这次对OTL音频功率放大器的设计与制作,让我了解了设计电路的程序,也让我了解了关于OTL音频功率放大器的原理与设计理念,本论文通过对OTL音频功率放大器各单元电路的分析,详细阐述了各单元电路的组成、原理及工作过程,设计中充分的利用了互补对称电路,有输出电容,电源供电,电路轻便可靠等优点,对信号进行充分的放大,推动扬声器发出声音。
有效地改善了电路,减小了因温度和元件老化引起的干扰信号的出现和信号失真的现象。
此外,还详细描述了放大电路的调整与测试的过程。
在这次设计中,我确实遇到了很多难以解决的问题,同时也学到了很多知识。
在过程中遇到的困难让我学会了如何更好更快的去解决实际问题,学会了查找资料。
掌握了功率放大器的设计与制作,
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