寒 假 实 验 报 告
电子技术基础模拟部分（第五版）课程设计
题目：OCL 功 率 放 大 器
院（系）： 专业班级： 学 号： 学生姓名： 小组成员： 指导教师： 起止时间：
目 录
摘要 .......................................................................................................................................... 引言 .......................................................................................................................................... 第1章 OCL功率放大器设计方案论证 ........................................................................
1.1 OCL功率放大器的应用意义..................................................................................... 1.2 OCL功率放大器设计的要求及参数......................................................................... 1.3 设计方案论证............................................................................................................ 1.4 总体设计方案框图及分析........................................................................................
第2章 OCL功率放大器各单元电路设计 ...................................................................
2.1 直流稳压电源设计.................................................................................................... 2.2 输入级电路设计........................................................................................................ 2.3 电压放大级电路设计................................................................................................ 2.4功率放大级电路设计................................................................................................. 2.5输出负载电路设计......................................................................................................
第3章 OCL功率放大器整体电路设计 ........................................................................
3.1 整体电路图及工作原理............................................................................................ 3.2 电路参数计算............................................................................................................ 3.3元器件清单列表........................................................................................................
第4章 系统调试中的问题及解决方法 .................................................................. 第5章 设计总结................................................................................................................. 参考文献 .................................................................................................................................
摘要：低频功率放大器简称功放，它是各类音响器材中的最大的一个家族。目前低频功率放大器主要由分立元件组成或集成模块组成，由分立元件组成的功放，电路结构复杂，自动调节能力强，由集成模块组成的功放，可减少信号失真，但调节能力有限。这次设计在放大部分运用了二级放大，一级是通过C9012实现的，二级放大是通过甲乙类互补对称电路实现的，功率放大部分是用TIP41C和TIP42C功率管实现的，最后再把输出功率输出到一个10瓦8欧姆的喇叭（负载）上。
引言
随着电子技术和计算机技术的飞速发展，现代电子线路的设计也越来越离不开计算机辅助设计和仿真分析的支持，而用电路元器件参数性能指标是更为便捷的一种方法，在理论上设计开发出合理且高性能的电路、PCB板，才能在提高电路性能的同时降低生产成本。功率放大器不仅仅是消费产品中不可缺少的产品，还广泛应用于控制系统和测量系统中。低频功率放大是一个已经相当成熟的技术。几十年来，人们为此不懈努力，无论从线路技术还是元器件方面，乃至思想认识上都取得了长足的进步。尽管目前市场上的功放产品价格已经很低，少则几百元，多则几千元的价格还是让人有些不舍，本次设计给出一种简单实用、制作成本低廉的低频功率放大器的设计方案，本设计具有功耗低，性价比高，稳定性好，应用广泛的优点，在模拟技术电路中信号经放大后，往往要去推动执行机构完成人们所预期的功能，例
如推动喇叭发出声音等。这些执行机构是把电能转换其他形式能量的器件，它们正常工作需要从电路中获取较大的能量。所以放大电路的末级多有功率放大器组成，以便为负载提供足够的信号功率。本次课程设计的就是简易低频功率放大器。随着现代社会电子技术科技的迅速发展，要求我们要理论联系实际，电子技术课程设计的进行是我们有了这个非常重要的机会，通过这种综合性的训练，要求我们达到以下的目的和要求：
（1）结合课程中所学到的理论知识，对电路图能自行分析； （2）学会查阅相关手册与资料，通过查阅手册和相关资料，进一步熟悉常用电子元器件类型和特性，并掌握合理选用的原则，培养独立分析和解决问题的能力，同时，要求我们加强团队意识，合作意识。
（3）课程设计结束后要对本次的设计进行认真的总结。
1.1 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单端推挽电路,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。 1.2 OCL功率放大器设计的要求及参数
本次课程设计需要采用全部分立元件设计此OCL音频功率放大器。并设计出此功率放大器所需的直流稳压电源。设计参数如下所示：
1. 额定输出功率P010W。 2. 负载阻抗RL8。 3. 失真度1% 4. 频率100Hz8KHz
5. 效率为
1.3 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、输入级电路、电压放大级电路、功率放大级电路。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6 V交流电（实际测量值为8.14V），经整流滤波得到±11.03 V的直流电，供应前置放大电路和功率放大器使用。 2. 信号放大部分
该电路采用全电路直接耦合方式的OCL功率放大电路，它由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分组成。为了抑制温漂和提高共模抑制比，本电路采用了差分式放大电路作输入级；中间级为电压增益级；互补对称电压跟随电路常用作输出级。
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。
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 入 信 号
分析：本设计采用市电供电，将市电220 V通过变压器变成±11.03 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。
输入级电 路 电压增益级电路 功率增益级电路 输出负载 直流稳压源 总体原理图：
该电路中的BC337实际电路中用C9013代替，激励级的2SA1015用C9012代替；
互补对称放大电路中，2SC1815用S8050代替，2SA1015用S8550代替，100欧电阻用大功率电阻100欧1瓦的电阻代替。
第2章 OCL功率放大器各单元电路设计
2.1直流稳压电源设计
电源结构框图：
电源仿真图：
电源电路采用6V*2的变压器（变压后的实际测量值为8.14V，原因不详），使用的是2A整流桥，型号为2W10，参数为2A/100V。滤波电路选用的是2200uF（耐压值为50V）的大电容滤波，10nF的高频小电容滤过大电容无法滤过的高频谐波。中间两对递减的电容是为了解决大电容的感抗作用而影响高频成分的滤波。220V的交流电经变压器变压后，幅度变小，但仍为交流电，经整流桥整流后，
变为不稳定的直流电，经2200uF电解电容滤波后，变为浮动范围较小的直流电，再经10nf的电容消除小纹波后，直流电源不稳定波动基本上稳定在0.5V之内。
注意事项：在接入电解电容时，一定要注意电解电容的正负，不能接反，接反后的反应是电容剧烈发热，如不及时断掉电源，会有爆裂的危险。整流桥输出端有正负之分，须谨慎接入电路，不然会烧坏整流桥。
2.2输入级放大电路设计：
为了抑制温漂和提高共模抑制比，本电路 采用了差分式放大电路作输入级。电解电容C1 起到了通交流隔直流的作用，滤除电路中得直 流量，R1是一个偏置电阻，防止电路振荡，起 到限流作用，在电路工作时为Q1管的基极提供 一个合适的偏置电压，为其提高一个合适的静态 工作点。同时电解电容C1和电阻R1构成了一个 高通滤波电路，使低频信号不能通过，这样前级 的输入信号就可以几乎没有衰减地传递到后级的输入端。核心电路是由Q1管和Q2管构成的差分式放大电路，由于电源电压波
动，元器件老化引起的电路参数变化，温度引起的参数变化（主要原因），而在多级耦合放大电路中，第一级温漂最为严重，因此采用差分式放大电路作为抑制温度漂移。此图中Q1、Q2、R2、R3及R4组成，R2、R3分别是Q1、Q2管的偏置电阻，为晶体管的集电极提供合适的工作点，R4是差分放大电路的发射极的公共电阻，一方面，共用发射极电阻，使两放大电路由于零点漂移产生的参数变化同时进行，零点漂移被抵消，具体过程如下：
IC1↑→IB1↑ UBE1↓→IB1↓→IC1↓ T↑→ UR2↑→
IC2↑→IB2↑ UBE2↓→IB2↓→IC2↓
另一方面，共用电阻R4也作为负反馈电阻，通过电流负反馈作用，进一步减少工作点的零点漂移，而且它决定了差分电路的共模抑制比和本极的静态工作电流。
2.3电压放大级电路设计：
如图所示，是利用二极管进行偏置的互 补对称电路，消除了甲乙类功率放大电路带 来的交越失真。Q3组成了前置放大级。Q4 和Q5组成了互补输出级。静态时，在D1、 D2、D3上产生的电压为Q4和Q5管提高了 一个合适的偏压，使之处于微导通状态。 由于电路对称，静态时ic4=ic5,中点电压 等于零。而有信号时，由于电路工作在甲乙 类，即使vi很小（D1、D2、D3交流电阻也 很小），基本上可线性地进行放大。C3是Q3 管的防振电容，对其进行相位补偿，容量尽 可能小，用于消除高频自激。R8是为Q5管提 高合适的偏压。C2、R5、R10构成了电压负反 馈回路，消除二极管内部电容可能引起的自 激振荡。
2.4功率放大级电路设计：
功率放大级电路是采用大功率管TIP41C 和TIP42C，Q4和Q6构成了共集-共集复合管， Q5和Q7构成了共射-共射复合管，对信号进 行了二次放大。Q4和Q5互为对管，但两管的 参数肯定存在差异，R9的作用就是为了减少 两管的参数差异的，使中点电压为零。
2.5输出负载电路设计：
因为扬声器是感性负载，为了使放大器的 负载接近纯负载，在功放的输出端对地一般都 有电阻和电容串联的补偿电路，其电阻的阻值 和扬声器的阻值相当，电路中的R11、C5是容 性负载电路，对扬声器这一感性负载能进行相 位补偿，扬声器在瞬间大动态信号作用下容易 损坏，如此已达到它目的。
第3章 OCL功率放大器整体电路设计
整体电路图及工作原理
19XFG1R22.2kΩR32.2kΩ34C3C11uFR1100kΩGNDGNDR415kΩQ12BC3371Q2100nF6BC3372SA10157C2R6100ΩD11N41489D21N414810D31N414812R710kΩ2SA10151817Q5TIP42CR10100Ω16Q7R114.7kΩ13C5100nFGNDGND11R5100Ω8Q3Q4+XSC1Ext Trig+_A_+B_502SC1815Q60TIP41C1530pFR9C410uF4.7kΩ14R81kΩGNDGNDXDA1THDV112 Vpk 50 Hz 220° 0V212 Vpk 450 Hz 0° 23C62.2mF2C8470uFC1047uFC1210nFD410C72.2mFC9470uFC1147uFC1310nF31B4B42 220V市电经变压器、桥式整流、滤波可获得±11.07V的直流电。用此电 用来给前置放大电路及功率放大器提供能量。
由于功放的二个声道电路完全对称，因此这里我们只对其中的一路进行说明。Q1、Q2组成差分输入电路，输入的音频信号经放大后，从Q1的集电极输出，R6、D1、D2、D3上的压降为Q4和Q5提供直流偏置电压，用于克服两管的截止失真，
音频信号经Q4、Q5预推放大后，具有足够的电流强度，然后送入Q6、Q7完成功率放大，信号正半周时，电流从正电流经Q6流向负载后到地，负半周时电流从地经负载、Q7流向电源负极，整个功程中，Q6、Q7始终处于微导通状态，因此这种功率放大器也叫作甲乙类互补对称功放电路，这种电路由于采用了直接耦合的方式，因此频率特性非常好，制作完成后的运算放大器经输入不同频段正弦波信号后，从输出端的波形看，具有极高的保真度。 仿真图：
实物图：
电路参数计算
1.变压器变压后的输出电压： U+ =7.87V U- =7.75V
2.稳压电压源输出电压： U+ =10.18V U- =-9.19V
3.静态工作点：
通过对Q1的测量得： UB1=-0.244v UC1=9.46v UE1=-0.863v IC1=(U+-VC1)/R2=0.33mA IB1=UB1/R1=2.44uA IE1=(UE1-U-)/2R4=0.28mA
通过对Q2的测量得: UB2=-0.243v UC2=9.52v UE2=-0.863v 由于电路的对称性可得：IC2=IC1=0.33mA IB2=IB1=2.44uA IE2=IE1=0.28mA
通过对Q3的测量得: UB3=9.45v UC3=0.747v UE3=10.06v
IC3=IE3=(U+-UE3)/R6=1.2mA
通过对Q4的测量得: UB4=0.762v UC4=10.15v UE4=0.129v
IC4=IE4=(UE4-UE5)/R9=3.71mA
通过对Q5的测量得： UB5=9.07v UC5=-10.13v UE5=9.64v IC5=IE5=3.71mA
通过对Q6的测量得: UB6=-0.504v UC6=-10.13v UE6=-0.237v
通过对Q7的测量得: UB7=0.133v UC7=10.13v UE7=-0.237v
4.噪声电压：（输入电压为零，即输入端接地，输出负载的电压） U=-0.240v
5.最大输出功率：Po = 12^2/8=18W
Pc= U+ * I+ + U-* I- = 10.18 * 1.6+9.19 * 1.2=27.316W
η=Po / Pc * 100% = 65.9%
6.输入电压：UiP-P = 0.68V UoP-P = 16v 电压增益：Av = UoP-P / UiP-P = 23.5
7.频率响应：10Hz---10KHz 元器件清单列表
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
电解电容 C1 电阻R1 三极管Q1 三极管Q2 电阻R4 电阻R2 电阻R3 电阻R6 三极管Q3 电容C3 电解电容C2 电阻R5 电容C4 电阻R10 电阻R7 二极管D1 二极管D2 二极管D3 电阻R8 大功率电阻R9 1uF 100K C9013 C9013 15K 2.2K 2.2K 100 C9012 100 pF 10uF 1K 30pF 4.7K 100 1N4148 1N4148 1N4148 10K 100/1W 1个 1个 1个 1个 1个 1个 1个 1个 1个 1个 1个 1个 1个 1个 1个 1个 1个 1个 1个 1个 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36
三极管Q4 三极管Q5 三极管Q6 三极管Q7 电阻R11 电容C5 滑动变阻器 开关 扬声器 变压器 整流器 电解电容 电解电容 电解电容 电容 导线 10uF S8050 S8550 TIP41C TIP42C 4.7K 100pF 100K 8欧姆10W 12V 最大电流2A 2200uF 470uF 47uF 2个 1个 1个 1个 1个 1个 1个 1个 1个 1个 1个 1个 2个 2个 2个 若干 第4章 系统调试中的问题及解决方法
问题1.电源部分最初采用下图的稳压电源，结果稳压管烧坏四个。
解决方法：通过查阅资料，发现稳压管两端的电压超出了稳压管的耐压值，肯定会烧坏，所以不得不更换稳压源电路，最终能够正常工作。仿真图如下：
问题2：电源接通后电解电容爆炸开了
解决方法：犯了一个弱智的错误，把电解电容的极性焊反了，导致爆炸。之后换了两个电解电容，按正确的极性焊接就能正常工作。
问题3：第一次焊接成功时，接通电源后扬声器不能发音。
解决方法：对其可能的原因进行一一排查，最终发现将功率管的引脚焊接错误，误以为功率管的引脚和其他三极管的引脚一样，导致焊接错误，通过查阅手册知道了功率管的引脚分布，正确焊接。
问题4：电路工作时发现TIP42C管比TIP41C管发热明显严重，理论上来说两管完全对称，发热情况应该相同，但是实际不是。
解决方法：我猜测可能是由于通过两管的电流不一样导致受热不一样，通过万用表测中点电压，电压确实不为零（理论上应该中点电压应该为零），正好符合我的猜测。但是由于电路确实对称，我也不知道为什么中点电压为什么不为零。
问题5：在加入负载后，电源正负电压不相等，U+ =10.18V U- =-9.19V 解决方法：可能和稳压源输出级没加稳压电路有关，具体原因不详。、
问题6：：电压源接入负载后电压减小，不接负 载前电压 U+ = 11.03V ，U- =-11.03V，接入负 载后电压U+ =10.18V U- =-9.19V 解决方法：通过重新翻阅课本，发现 这是电容滤波电路的特性。负载电流 较高，输出电压会减小。
第5章 设计总结
在完成这个课题设计之后，我也有一定的思考，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，又有很多所得。
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。当然在初学阶段这未必不可以，这样做可以让我熟悉软件的操作环境，了解设计方法和步骤，更加深刻理解基本概念。但是我认为在初学阶段，虽然我们的原理图是在网上或书上找到的，但是我们应该弄清楚每一个元器件的作用，为以后自己设计打下扎实的基础。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。在这方面我做的也不是很好，所以设计之后再回想一下，里面自己的东西很少，这也是以后需要改进的地方。
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，我们熟练使用了Multisim11进行仿真，记录下数据与我们自己制作的作品测量的数据进行对比，体会理论与实际的差距。第二个是小组讨论，我们做着各自的作品，将自己做的东西遇到的问题放在一起讨论，各自发言，查资料找到解决问题的方法，虽然不是所有的问题我们都能找到解决的方法，但在这个过程中让我学会了探索，锻炼了我的独立解决问题的能力和团结合作的意识。第三点就是我们各组之间的交流，各组成员之间进行相互交流，了解其他组的设计方法，共同讨论，相互合作，共同探索。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，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。
参考文献
[1] 电子技术基础（第五版）（模拟部分）·康华光主编·高等教育出版社 [2] 电子技术基础实验与课程设计·章忠全主编·中国电力出版社 1999 [3] 实用电工电子技术手册·实用电子技术手册编委会·机械工业出版社 2003 [4] 电子元器件与实用电路基础·韩广兴·电子工业出版社 [5] 电子技术常用器件应用手册·陈汝全·机械工业出版社 1994
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容