音频功率放大器论文1[1]

目 录

一、引言....................................................................3 二、设计目的................................................................3 三、设计任务和要求..........................................................3 四、设计步骤................................................................4 五、总体设计思路............................................................4 六、实验设备及原器件.......................................................17 七、仿真测试内容...........................................................17 八、焊好的电路性能指标测试.................................................20 九、参考文献资料...........................................................22 十、个人体会...............................................................22 {姚福安:《音频功率放大器设计》，山东大学学报，2003年06期。}

摘要：OCL音频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、伺服放大电路中得到了广泛的应用。

关键字：音频；放大； 一、 引言

常见的音频功率放大器主要有下列几种：

1、变压器耦合甲类放大器电路主要用于电子管放大器中；

2、变压器耦合推挽功率放大器电路主要用于一些输出功率较大的电子管放大器中； 3、OTL功率放大器电路主要用于一些输出功率较小的放大器中；

4、OCL功率放大器是一种常用的放大器电路，常用于一些输出功率要求较大的功率放大器中；

5、BTL功率放大器电路主要用于一些要求输出功率更大的场合，OTL、OCL和BTL功率放大器电路主要用于晶体管放大器中。

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二、设计目的

1、综合运用电子技术课程中所学理论知识完成一个课题的设计 2、通过查阅资料，培养学生分析和解决实际问题的能力 3、初步学会常用电子元器件的识别和选用 4、初步学会电子线路板的布线和焊接方法 5、学会使用电子仪器进行电路调试 6、学会撰写设计说明书的方法 三、设计任务及要求  设计任务

1、通过一个OCL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。

2、设计一个音频功率放大器，主要功能： 具有音量控制 3、用分立元件设计，采用OCL互补对称放大电路 4、主要技术指标：

（1）不失真输出功率P≥5W （2）负载阻抗RL=8Ω

（3）频率响应50Hz~16KHz

（4）输入信号为200mV（有效值）

 实验仪器：

电路模板一块、元件若干  设计要求

1． 调研，查找并收集资料 2． 总体设计，画出框图

3． 单元电路设计，元器件选择及参数计算，每个元件的参数均要计算，如：晶体管

的ICM、PCM、U（BR（CEO ；二极管参数；电阻的阻值、功率、允许误差；电容的容量、耐压；变压器铁心规格、线圈匝数、线径等等；还应考虑功率晶体管的散热问题

（1） 音频功率放大单元

（2） 变压、整流、滤波单元，含变压器设计 4． 电气原理设计—用Peotel绘电路图 5． 列元器件明细表

6． 用EWB仿真，如达不到设计要求（如不失真输出功率达不到要求），应修改电

路参数（如电源电压）重新设计。

7． 按给定音频功率放大器电路和元器件焊接电路并调试，测试性能指标：（1）不失

真功率；（2）实际试听广播电台节目；（3）频率特性测试 8． 撰写设计说明书 9． 参考资料目录

四、设计步骤  电路图设计

（1）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，并画出OCL

音频功率放大器的方框图。

（2）系统分析：根据系统功能，选择各模块所用电路形式。

（3）参数选择：根据系统指标的要求，确定各模块电路中元件的参数。 （4）总电路图：连接各模块电路。

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五、总体设计思路 总电路图：图1-1

U1 Vi

图1-1

电源部分局部放大图：图1-2

+Vcc U2 U1 -Vee 图1-2

功率放大部分局部放大图：图1-

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+Vcc Vo Ui -Vee 图1-3

 电源设计：

电源电压VCC

根据输出功率Po确定，理想状态下，忽略晶体管饱和压降，则：

POVORL2RLVCC22VCC22RL

VOPV（理论值） ORL6.32取VO6.4V

4

VCC2PORL2588.94V （理论值）

取

VCC9V

电源的次级稳压过程，VO1.2V2；当负载变动时，Vo会上下波动，空载时，VO1.4V2,负载时，VO1.2V2；所以，实际的Vcc应加上4V左右，取（为什么取13V而不是12.5V，原因在P20页中有说明。）  变压器设计

（一）设计原理：

小功率电源变压器设计计算的目的是在已知原边电源电压和频率以及各副绕组输出电压、电流的条件下，确定变压器的铁心尺寸、绕组匝数和导线的直径等，保证变压器能正常安全工作。由于磁路的非线性及铁心材料产品参数的分散性，变压器的参数是难以精确计算的。因此，它的设计计算只是一种近似估算，现以常用的EI型铁心的小功率电源变压器（指1000伏安以下） 1、 容量

小功率电源变压器设计计算时，通常取原、副边视在功率的平均值作为它的额定容量，

VCC13

P1P2即 O2 (1-1) 式中p2为副边输出的总功率，即

P

P2IiUi

式中Ii、Ui分别为副边各绕组对应的输出电流、电压的有效值，原边的输入功率为

P2P1

为变压器的功率，表1-1给出了小功率电源变压器不同的输出功率下的值。

表1-1 输出功率、伏安 小于10 10~30 30~80 80~200 200~400 400以上  0.60 0.70 0.80 0.85 0.90 0.95 2、 铁心截面积SO和变压器容量PO的关系

SO和PO的关系式可以根据电磁感应定律推得。设SO为铁心舌宽和铁心有效迭厚的乘积。

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单位是平方厘米，并设原、副边的匝数为N1、N2电流为I1、I2；电源的频率为f，铁心的最大磁密为Bm高斯，则原边功率为 副边功率为

8P4.44fINBS10伏安 （1-2） 111mOP24.44fI2N2BmSO108伏安 （1-3）

式（1-2）与式（1-3）相加，得

8PP4.44fBS10(I1N1I2N2) （1-4） 12mO 显然，式中(I1N1I2N2)为流经铁心窗口总的电流与匝数乘积。设铁心窗口的面积为

SC厘米2 ，绕组导线在窗口的占空系数（即导线实际界面在SC中所占的比例）为Kd ，

导线的电流密度为J安/毫米 ，则铁心窗口总的电流安匝可写成

2I1N1I2N2JKdSC102 (1-5)

通常取J=2~4安/毫米 ，它取决于允许温升和散热的条件。容量小的变压器散热条件好，J值可以取得大一些；功率较大的变压器,散热条件较差，J值应选得小一些。Kd的数值范围为0.20~0.30，变压器容量大的可取大值。 将式(1-5)带入式（1-4）得

8PP4.44fBS10(I1N1I2N2) 12mO2

4.44fBmSOJKdSC106伏安 （1-6）

当f=50赫兹时，

4PP2.22fBSJKS10伏安 12mOdC整理得

SOSC4(P1P2)102.22BmJKd （1-7）

以式(1-1)代入，得

SOSC(PO)1041.11BmJKd （1-8）

式（1-8）表示了P此值可用于变压器估算。若已知PO与SOSC乘积的关系，O可估算SOSC值，继而通过查表，选取铁心规格；反之，若已知铁心尺寸，则可估算变压器的功率。 在实际工作中，还可将是（10-44）进一步简化为

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2SOKSP厘米 O作为估算铁心的截面积的经验公式。因为一般取SO=(1~1.5)SC,并根据Bm、J、Kd的数值范围，可以取得Ks的数值范围为1~2。通常Ks值按容量PO值选取，它们的关系列于表1-2。计算时，P0的单位为伏安。

表1-2 PO\\伏安 KS 5~10 2~1.75 10~50 1.75~1.5 50~100 1.5~1.35 100~500 1.35~1.25 500~1000 1.25~1 3、 绕组的每伏匝数

原边绕组的每伏匝数为

NON1U1N11084.44fN1BmSO匝/伏

2式中的Bm的单位为高斯，SO的单位为厘米。当频率为50赫兹时，得

NO4.5105BmSO匝/伏

Bm的数值范围对于冷轧硅钢片可达16000~19000高斯；优质的热轧硅铜片约为

10000~15000高斯，一般硅钢片则低于10000高斯，普通黑铁片仅为6000高斯左右。对于副边绕组，考虑到加载后绕组的内部压降，因此副边绕组每伏的匝数应增加为

NO(1U%)NO

'式中U%为电压调整率，它的数值范围为3~15%,课参考表1-3确定

表1-3 输出功率/伏安 20~50 15~10% 50~100 10~8% 100~250 8~5% 250~500 5~3% U% 4、 导线直径与绕组中电流的关系

因为



Id4J22

d为绕组导线的直径，单位为毫米；I为相应绕组的电流，单位为安；J为相应的电流密度，单位为安/毫米，整理得

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d4II1.13毫米 JJ22（注：J一般取2~3A/mm；短路时取4~5A/mm） （二）变压器参数设定：

V2ILVCC1.113V11.8V (V2为次级电压) 1.15W8PORL0.8A

次级电流：

I22.09IL1.44A

副边功率：

P2U2I211.81.4417W

原边功率：

P1P2  （理论上一般为70%，实际电路中只有60%左右；这里我们取63%）

17WW 即 P10.6327 额定容量为：

P17W27W1P2P22W O22 可求得铁心截面面积为：

SOKSPO1.65227.74cm2 （查表取KS=1.65）

通过查表可知SO的参数：a、c、h、A、H 的取值。  原边绕组的每伏匝数为：

取铁心磁密度为Bm10000GS

NO

4.5105BmSO457.745.8 匝/伏

8

查表得取 U%12% 副边每付匝数为：

NO(1U%)NO1.125.86.5 匝/伏

所以原副边匝数分别为：

原边：N1NOU15.82201276匝 副边：N2NOU26.511.877匝  导线直径选择： 小型原边电流：I1''J=2~3A/mm2 这里我们取J2.5A/mm2

P1U127W220V0.12A

P217WI副边电流：2U211.8V1.44A

所以：d1

1.13I1JI2J1.131.130.122.51.442.50.25mm 0.86mm

d21.13 查表得参数如下图1-4

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图1-4

 放大器设计

功率放大器（简称功放）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的大，输出信号的非线性失真尽可能的小，效率尽可能高。功率放大器的常见电路形式有OTL(Output Transformerless)电路和OCL(Output Capacitorless)电路。有用集成运算放大器和晶体管组成的功率放大器，也有专用集成电路功率放大器。我们此次设计的是用集成运算放大器和晶体管组成的功率放大器。如图1-3所示；运算放大器为驱动级，晶体管T1~T4组成的复合式晶体管互补对称电路。 （一）电路工作原理：

三极管T1、T2为相同类型的NPN管，所组成的复合管仍为NPN型。T3、T4为不同类型的晶体管，所组成的复合管的导电极性由第一个管决定，即为PNP型。这里设计，一般T2、T4为较大功率的三级管；T1、T3为较小功率的三极管；用这种复合管型电路可减小驱动基极的电流。复合后12 设1250；则2500； 最大输出电压VO

PV；RL8 ORL6.410

VCCI则T2集电极电流：C2maxRL2VCCRL1.12A

IC2maxI B2max5022.4mA

4mAIB1max22.500.448mA

综上数据选用三极管如下：

小功率管T1、T3选用：2N2712、2N3702 较大功率管T2、T4选用：FZT694B、FZT792A

R4、R5、RP2及二极管D1、D2、D3、D4所组成的支路是两对复合管的基极偏置电路，静态时支路电流I0可由下式计算：

I02VCC4VDR4R5RP2

其中，VD为二极管的正向压降。

为减小静态功率和克服交越失真，静态时T1、T3应工作在微道通状态，即满足下列关系：

VABVD1VD2VD3VD4VBE1VBE3

称此状态为有甲乙类状态。二极管D1、D2与三极管T1、T3应为相同类型的半导体材料，如D1、D2硅管二极管2CP10，则T1、T3也应为硅管二极管。RP2用于调整复合管的微道通状态，其调节范围不能太大，一般采用几百欧姆或1KΩ电位器（最好采用精密可调电位器）。 安装电路时首先应使RP2的电阻值为零，在调整输出级静态工作电流或输出波形的交越失真时再逐渐增大阻值。否则会因RP2的阻值较大而使复合管破环。

Ｒ7、Ｒ10用于减小复合管的穿透电流，提高电路的稳定性，一般为几十欧姆至几百欧姆。

这里设计取 : R7=R10=100Ω

R8、R9为负反馈电阻，可以改善功率放大器的性能，一般为几欧姆。

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这里取： R8=R9=1Ω

R6、R11称为平衡电阻，使T1、T3的输出对称，一般为几十欧姆至几百欧姆。

这里取：R6=R11=470Ω

R12、C3称为消振网咯，可改善负载为扬声器时的高频特性。因扬声器呈感性，有可能损坏晶体三极管T2、T4。R12、C3的取值视扬声器的频率响应而定，以效果最佳为好。一般R12为几十欧姆，C3为几千皮法至0.1uF。

这里取：R12=30Ω、C3=0.1uF

功放在交流信号输入时的工作过程如下：当音频信号Vi为正半周期时，运算放大器的输出电压Vc上升，Vb亦上升，结果T3、T4截止，T1、T2导通，负载RL中只有正向电流iL，且随Vi的增加而增加。反之，当Vi为负半周期时，负载RL中只有负向电流iL且随Vi的负向增加而增加，只有当Vi变化一周时负载RL才可获得一个完整的交流信号。 （二）静态工作点设置：

设电路参数完全对称，静态时功放的输出端0点对地的电位应为零，即Vo=0，常称O点为“交流零点”。电阻R1接地，一方面解决了同相放大的输入电阻，另一方面保证了静态时同相端的电位为零，即V+=0。由于运算放大器的反相端经R3、RP1接交流零点，所以V_=0。故静态时运算放大器的输出Vc=0.调节RP1电位器可改变功放的负反馈深度。电路的静态工作点主要由Io决定，Io过小会使晶体管T2、T4工作在乙类状态，输出信号会出现交越失真，Io过大会增加静态功耗使功放的效率降低。综合考虑，对于数瓦的功放，一般取Io=1mA~3mA,以使T2、T4工作在甲乙类状态。

由于T1、T3的静态工作点由R4、D1、D2、D3、D4、R5提供；又已知RL=8Ω、Vcc=13.5V、Po=5W

I0

2VCC4VDR4R5RP2

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VD=0.7V；R4=R5；先设RP2=0；

IOVCC2VDR4/5

R4/5VCCIO2VD5.3K

IOIB1/B3 五倍以上 一般为2~4mA

1RPR4/553010（三）前置放大设置：

互补对称放大为射级输出，电压放大倍数为1（电流有放大）；C1、C2起隔直流的作用，这里电路只有交流放大；电路采用同相比例放大如图1-5。

放大倍数为:

Auvoui

Au1R3RP1 R2根据输出Po、RL；求得VO设输入ui=200mV；f=

PV ORL6.4uimax2002mV282mV）

；（

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vouiv

图1-5

所以总的放大倍数为：

Auvoui6.40.232

R3RP1132 则 R2取 R21K； R310K； 则 R3RPK 131所以 RP1有效21K 取标准值 RP150

C1、C2一般为几十uF, 取 C1=C2=10uF；

R1应远大于音调控制的输出电阻，因此取 R1=47KΩ 六、实验设备及原器件

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序号 七、仿真测试内容

变压器 桥堆 三极管 三极管 名称 型号、规格 10W，9+9V 50V，1A 2N2712 2N3702 LM741 FZT694B FZT792A 1N4001 2200μ/25V 10μ/25V 0.01 0.1 100Ω 470Ω 1Ω 5.3K， 数量 1 1 1 1 1 1 1 4 2 3 4 1 2 2 2 2 集成电路 三极管 三极管 二极管 电解电容 电解电容 瓷介电容 瓷介电容 电阻 1/4W 电阻1/4W 电阻 1W 电阻1/4W 电阻1/4W 可调电阻 30Ω、1K、10K、47K 各1 0.5K、50K、10K 各1 ① 中频响应；电源电压为VCC=12.5V、输入Vi=282mV 、f=1kHz时，单独对放大部分作仿真结果如下：RP1调到53%时达到最大不失真波形；如下图1-6所示： 33调90%；RP

图1-6

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② 低频响应；电源电压为VCC=12.5V；输入Vi=282mV 、f=20Hz时，单独对放大部分作仿真结果如下： RP1调到73%时达到最大不失真波形；如下图1-7所示： 33调90%；RP

图1-7

③ 高频响应；电源电压为VCC=12.5V；输入Vi=282mV 、f=20kHz时，单独对放大部分作仿真结果如下： RP 1调到78%时达到最大不失真波形；如下图1-8所示：33调90%；RP

图1-8

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④ 由于仿真软件变压比只能选25：1；所以只能通过改变电源输入电压来仿真达到我们所需要的直流电压；这里电源输入U1=387V、f=50Hz；仿真结果如下图1-9：

图1-9

（注：各部分单独仿真时，VO=12.5V时，可以满足设计要求；但当用总电路作仿真时，由于有压降存在的原因，直流电压应当提高到VCC=13V才可以满足设计要求。所以在此次设计中，VCC的值取13V设计。）

⑤ 总电路仿真；输入VO有效值为13V时的仿真结果如下图1-10：

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图1-10

八、焊好的电路性能指标测试结果

① 测试数据：VCCVEE=11.9V；VOmax12.6v；

② 最大不失真功率：

PmaxU2有效R12.6V22282.48W

③ 频率特性：70%VOmax8.82V；

测试结果如下：f20Hz时；VO11V >8.82V (满足条件) f20KHz时；VO9.8V >8.82V (满足条件) 所以频带范围为：20Hz~20KHz

④ 附焊接电路板布线图：图1-11

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图1-11

焊接实物图：图1-12

图1-12

背面：图1-13

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图1-13

九、参考文献资料 【1】《电工技术》/林育兹主编--北京：科学出版社，2006

【2】电工学.下册，电子技术/秦曾煌主编.-7版.-北京：高等教育出版社，2009.6 【3】《模拟电子技术》 【4】《电子线路EDA仿真技术》

【5】吕砚山主编，电工技术基础，科学技术文献出版社，1982，7 【6】 谢自美主编，电子线路设计实验测试（第二版），华中科技大学出版社，2000，7 十、个人体会

通过这次课程设计对OCL音频功率放大器的设计与制作,锻炼了我们的实践动手能力，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于OCL音频功率放大器的原理与设计理念，要设计一个电路首先要仿真成功之后才算是进入第一步，初步的参数也才可以开始确立，同时，实际接线结果也不一定与仿真结果完全一致，因为还有很多现实存在的因素是电脑仿真没法考虑进去的，所以也不能完全依赖仿真出来的结果。当然，仿真结果失败了也不一定就是完全行不通，因为有些原件有自己的特性的，在现实电路中是可以成功的，因此，这双方面的因素都应该考虑。

在焊接实物电路时，一定要先画出接线图，最好把管脚、正负极性也标上，焊接时一定要检查一下原件安放是否正确了之后才能开始焊接，这样可以减小焊接时出错的概率。焊接结束后，最好再对电路进行一次测底的检查，看看没有没漏焊的线或是接错的管脚，保证检查无误了，然后再去调试电路。

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