OCL功率放大器

______________________________课程设计报告

题目_______________

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班级_________________ 学号_________________ 专业_________________________

目录

一.OCL功率放大器 1. 1设计意义及实现功能 1. 2电路组成 1. 3工作原理

1. 4深度负反馈在电路中的作用 1. 5电路设计 1. 6测试结果及分析 二．总结

1.1设计意义及实现功能

OCL是英文Output Capacitor Less 的缩写，意为无输出电容。采用两组电源供电，使用了正负电源，在电压不太高的情况下，也能获得比较大的输出功率，省去了输出端的耦合电容。使放大器低频特性得到扩展。OCL功放电路也

是定压式输出电路，为钏电路由于性能比较好，所以广泛地应用在高保真扩音设备中。

OCL功率放大器

1.2电路组成

OCL功率放大电路如图1所示，电路分为输入级、推动级和输出级等三个部分：输入级由

T1、T2、Rb1、Rb2、、R1、R2、R3、RP3组成，其作用是抑制零点漂移和温度漂移，并使静态时的输出电压Vo0，从

而保证电路稳定、可靠的工作；RP2的作用是调整交流负反馈，RP3的作用是调整T1、T2管的静态工作点；RP1的作用是使T4~T7处于微导通(即使T4~T7工作于甲乙类状态)。

推动级由T3、R4、D1~D4、RP1、R4及Rp4组成，它的任务是为输出级提供足够的驱动电流，并使T4~T7管处于甲乙类状态。

输出级由T4~T7、R5和R6组成，其任务是向负载提供信号功率。它由互补对称电路组成，其中T4、T5组成NPN型复合管，T6和T7组成PNP型复合管，

R7R12.2K100+VCC=5~12VT38550100KR22.7KC1100pFVC3D1100uFVB41N41481N4148T48050T5TIP41C10uF+VCC10K2376410uFT19013Rb15.1KT29013I1D2D311N41481N41485.1KVB6Vi47KuA741-VCCRb2R310K5.1KD4Rp11T7TIP42C8T68550100uFRp35.1KIRR46.8K1KRp220KC3Rp4-VCC=5~12VC2100pF1.3工作原理

图1 OCL功率放大器

1）由图1可知，T3管为PNP管，组成的电路接成共发射级接法。当T3基极交流信号为正半周时，T3管的 基-射之间总的电压减小，其集电极iC3减小，T3管趋于截止，此时，VC3VDI1(RP1R4Rp4)VCC（其中VD是D1~D4的正向导通压降将减小，导致VB6减小，使得T6、T7导通，负载有电流iL流过；当T6、T7处于导通状态时，T3、T4、T5截止，由于IRiB6I1iB6（此时I10）将增加，使得R4及Rp4上产生压降，使得VB6增加，所以T6不能充分导通，影响输出级的动态范围（VB6IR(R4Rp4)VCC,IRiB6）。解决这一问题的方法是在电路中加一个自举电容C3，其容量应足够大（几十微法），而且R4Rp4。由于静态时VA0，电容C3被充电，VC3为负值，当VB6iRR4VC2也为负值，当VBE3为交流信号正半周到来时，由于C3两端电压不能跃变，故VB6电位VB6iRR4VC3也跟着下降（vBE3正半周信号到来时，由于T3趋于截止，故iC30，这样iR亦趋近于零），这就保证了T6充分导通趋于饱和，使T6管有足够的基极电流，从而扩大了输出级的动态范围。

2）当T3基极交流电压负半周到来时，T3管集电极电流iC3增加，T3趋于饱和，则VC3VDiC3(RP1R4Rp4)VCC也将增加，T4、T5管充分饱和，有电流iL流过负载。

1.4深度负反馈在电路中的作用

深度负反馈电路由T1、T2、Rb2及Rp2组成，其中T1、T2采用差动式放大电路，形成了深度的交、直流负反馈。由于Rb1Rb2,静态时，VB1VB20。当输入有信号Vi1时，使vBE1增大，这时T1管的iB1ie1Ve，由于T2管基极电位已定且VB20，所以Ve增加只能使VBE2减小，这时T2管电流产生同T1管相反的变化，即iB2ie2。因为

T1、T2组成的电路参数对称，而R3又很大，那么ie1增加的量几乎等于ie2减小的量，也就是说Vi1被R3分作两个大小相

等，方向相反的信号（差模信号）加在T1和T2的基极。这时两管发射极电流的变化量Ie1和Ie2大小相等而方向相反，所以VR3(ie1ie2)R3近似不变。因此，当有差模信号输入时，R3上压降不变，R3对差模信号无负反馈作用。如果因温度变化，使b1、b2的电位有等量的增加或减小（共模信号）时，则Vbe1、Vbe2也跟着有等量的变化，此时二管的ie1和ie2也会同时增加或减小。如果Vbe增加使Ve增加，这必然会加到两管的发射极，使Vbe1、Vbe2同时减小，从而抵消了由于加入共模信号使Vbe增加的量，由此可见，R3对共模信号强烈的抑制作用，有效地抑制了温度漂移。

另外，T2管基极通过RP2直接与输出端O点相连，构成交、直流负反馈电路。对于直流负反馈，当温度增加时，

IE5

会增加，使得

Vo上升，产生下述过程：

VoVAVbe2Ve(在VB1不变时)Vbe1IC1VC1IC3VC3IC5Vo结果经过反馈电路使

Vo又降回来，从而抑制了输出点的零点漂移；对于交流负反馈，反馈支路如图2所示，为电压串联负反馈，反馈系数

FVRRb2Rb2R，在满足深度负反馈条件下：电压放大倍数AVP21P2

Rb2Rb2Rb1Rb28.4Vo2.64），在输出信号最大不失真条件下，RP28.5K，这样，AV1。 5.1Vi1+VCC=5~12V（注：电压放大倍数指AV

VB4100KT48050T5TIP41C10uF+VCC10K23764Rp2100uF10uFViT19013Rb1T29013C220K147KuA741-VCC5.1KRb2R310K5.1K100pF8Rp35.1K-VCC=5~12V图2负反馈电路1.5电路设计

主要技术指标及要求 1.额定输出功率Po1W。 2.负载阻抗RL8W。 3.频率响应 10Hz~20KHz 4.输入电压Vi100mV,Vi11V

1）选择电路形式

功率放大器的基本任务是放大信号功率，所以它最主要的技术指标是输出功率、效率和非线性失真。为保证电路从以上三个指标满足要求, 选择电路的组成形式是十分重要的。由于甲类功放的效率较低，当采用变压器耦合的功率放大器时，它的高频和低频部份频率响应特征不好，在引入负反馈时，容易产生自激，这种电路通常应用与高频小信号谐振放大器，不适合用于低频大信号放大；如果采用无输出变压器的功率放大器（OTL），无论是采用单电源还是双电源供电，输出端均需要接一个大电容，这个大容量电容严重影响了电路的低频特性；要进一步改善放大器的低频特性，往往采用OCL电路，这种电路取消了输出电容，需要双电源供电。如采用如图2.1所示的由运放和晶体管组成的功率放大器，为稳定工作点，提高电路的稳定性，在T1、T3发射极接有R6、R7，R6和R7通常选用几十欧至几百欧的电阻，另外，T1、T3集电极个接有平衡电阻R10、R11。它们一般取值也为几十欧至几百欧，这样，为确保T3、T4工作于甲乙

类状态，避免输出信号的交越失真，即确保T2~T4基—射之间的静态压降为0.6V左右，A点、B点电位势必要选的合适。因此，为了使T2、T4在静态时处于微导通状态，T1、T2基本已处于饱和状态，再在加上R6、R7、R10、R11产生的压降使得电阻上的功率损耗增加，使得整个电路的效率降低。通常在最大不失真条件下，其效率只能约为30%~42%。为提高电路总的效率，往往采用如图1所示的输入级为差动电路的OCL电路，该电路由于引入了交、直流负反馈，可大大改善低频响应，同时由于取消了如图2.1中的电阻R6、R11、R7和R10，因而总的效率大为提高。所以本设计采用如图1所示的功率放大电路。 2）确定电源电压

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。

Vo2 因为PoRL(1Vom)22 RL所以输出电压最大值Vom2PoRL2184V

当输出电压为最大值时，T5、T7接近于饱和，考虑到T5、T7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Vom，他们之间的关系为VomVCC，一般取0.6~0.8。

本设计取0.7，这样，VCC3）计算大功率管T5、T7

选取大功率管主要考虑三个参数，即晶体管c-e之间承受的最大反向电压V(BR)CEO、集电极最大电流ICM和集电极最大功率损耗PCM。

①当电源电压VCC确定后，T5和T7承受的最大电压为VCEmax2VCC2612V。

②大功率管的饱和压降VCES0.3V，若忽略T5、T7的管压降，每个管的最大集电极电流

Vom45.7V，取电压标准档级VCC6V，VCC6V。 0.7IC5maxIC7maxVCC

R5RL因为T5和T7的射极电阻R5、R6选得过小，复合管稳定性差，过大又会损耗较多的输出功率，一般取

R5R6(0.05~0.1)RL

已知RL8，则取R5R60.1RL0.180.8 选用标准档级电阻，取R5R61。

所以IC5maxIC7maxVCC60.66A

RLR581③单管最大集电极功耗

三极管T5和T7工作于推挽工作状态时，单管的最大集电极功率损耗为P为了保证电路安C5maxPC7max0.2Pom。全可靠地工作，通常使电路的最大输出功率Pom比额定输出功率Po要大一些，一般取Pom(1.5~2)Po，取

PW。 om1.5Po11.51.5考虑到功放管T5、T7工作于甲乙类，存在静态电流Io，实际管耗要大一些，一般Io为10mA~30mA，这里，取

Io20mA。

故每管最大管耗

3PW C5maxPC7max0.2PomIoVCC0.21.5201060.42④根据功率管极限参数，选择T5和T7 选择大功率管，其极限参数应满足

V(BR)CEO5V(BR)CEO7VCE5maxICM5ICM7IC5maxPCM5PCM7PC5max由于互补对称电路要求二极管尽量对称，故选取57为满足电路性能，三极管T5,T7选用硅管。这样得到三极管的极限参数为：

V(BR)CEO5V(BR)CEO712VICM5ICM71APCM5PCM71W综上所述，选定T5型号为TIP41C，T7型号为TIP42C，经测试其57110。 ⑤选择T4、T6

由于T4和T6分别与T5和T7复合，它们承受的最大电压相同，均为2VCC。 这样，V(BR)CEO4V(BR)CEO612V

在计算集电极最大电流和最大管耗时，若忽略R7、R8和T5、T7内部的损耗， 取IC4maxIC6max(1.1~1.5)

IC5max5

PC4maxPC6max(1.1~1.5)

PC5max5

在设计时，取IC4maxIC6max(1.1~1.5)IC5max51.50.669mA 110PC4maxPC6max(1.1~1.5)PC5max51.50.425.7mW 110选择T4、T6，使其极限参数满足:

V(BR)CEO4V(BR)CEO612VICM4ICM6100mAPCM4PCM6100mW选取T4为3DG8050，T6为3DG8550，经测试其46210。 3DG8050的PW，ICM1A,V(BR)CEO25V CM13DG8550的PW，ICM1A,V(BR)CEO25V CM14）估算推动级电路

推动级电路由T3、D1~D4、RP1,R4及Rp4组成。 （1）确定T3管的静态电流：

方法一：由于T3接成共射极电路，工作于甲类放大电路，为保证T4、T6有足够的推动电流，要求

IC32IB42IC4max4

则IC32IC4max42985.7A 210当T5、T7处于甲乙类工作状态时，T4、T6实际上已经处于乙类工作状态，因此

I1(5~10)IB4

取I15IB4585.70.428mA （2）确定Rp1、R4及Rp4 由于VC0，所以

I1VC(VD3VD4)(6)00.60.660.428RP1R4Rp4Rp1R4Rp44.811.21K0.428

得到RP1R4Rp4取标称电阻RP15.1K，R46.8K，Rp41.1K。

方法二：由于要保证T4、T6有足够的推动电流，而T4、T6均为中功率管，故T3选用3DG8050。 对于数瓦的功放，为保证T4~T6静态时处于微导通状态。 一般I1(1~3)mA 取I11mA 则

VC(VCC)1，RP1R5R66K

RP1R5R6取RP11K,R54K,R61K。

由于方案一和方案二计算的RP1,R5,R6不同，在实际应用中，方案二选取电阻值偏小。 5）估算输入级电路 （1）确定T1、T2

由于T1、T2组成的差动放大电路对共模信号具有深度的电压串联负反馈作用。而差动放大电路为前置放大电路，一般的小功率管均能满足要求，因此T1、T2选NPN型管3DG9013，其150。 （2）确定Rb1、Rb2、R3、Rp2以及Rp3

由设计要求，Po1W，则VoPoR182.8V，由2.1节所述，当T4、T6输入信号有效值不超过1V时，

功放输出不会产生失真，而T1、T2组成的差动放大电路具有深度的电压串联负反馈，

整个电路的电压放大系数AV1RP2Vo2.828R1P22.828 ，这样，AV1Rb2Rb2Vi1为了抑制零点漂移，Rb1、Rb2取值不应小于5.1K，取Rb15.1K，则RP22.85.114.28K。

为确保调整负反馈深度，取RP220K。由于要使Vi1信号通过R3产生大小相等，方向相反的信号加在T1、T2的基极，R3的阻值应足够大，取R310K，为使T1、T2静态工作点调至适当的位置，引入RP3加以调整，取

RP35.1K，

由于静态时T1、T2基极对地电位均为零，即VAVB0，所以

IE1IE211V(6)0.66IEBE10.178mA 22R3RP32(105.1)VBE30.63.35K IE10.178由于T3工作于甲状态，所以VBE30.6V，这样R1

取R13K，R23K。 6）电路的动态分析

(1) 差动放大电路的动态分析

由于T1、T2组成的电路A、B而点交流信号同相位，故差动放大电路的共模电压放大倍数

'1R1//RL Avcrbe12(11)(R3Rp3)'其中RL为差动电路的等效负载电阻，近似等于T3管的输入电阻rbe3

rbe3300(13)2626300(1210)13.1K IE30.4282626300(1150)22.36K IE10.178而rbe1300(13)'1R1//RL所以Avc

rbe12(11)(R3Rp3) 1503//13.1366.150.084

22.362151154552.36RP2Vo2.8，而Vo2.8V 故Vi11V，因此由Rb2Vi1由前所述，整个电路的电压放大系数AV1'1R1//RLVocAvc0.084

1rbe12(11)(R3Rp3)(Vi1Vi2)2得到第一极差动电路的单端输出电压VocAvcVi10.084184mV。 （2）功放电路的动态分析

功率放大电路为共集电极电路，其等效电路如图4所示。

使用小信号模型分析法得到图4的小信号模型等效电路如图5所示， 得到功放电路的电压放大倍数Av2Vo(1)RL Vi2rbe(1)R5(1)RL其中rberbe4rbe5，而rbe4是T4的输入电阻，rbe5是T5的输入电阻，是T4、T5管电流放大系数的乘积，即

45。这样，功放电路的电压放大倍数简化为

Av2Vo(1)RL Vi2rbe(1)R5(1)RL RLRL80.88

R5RLR5RL81

因此，功放电路的输入电压Vi2Vo2.8283.21V。 Av20.88（3）T3管电路的电压放大倍数Av1的估算

由T1~T7组成电路总的电压放大倍数AvAvcAv1Av2 所以Av1Av2.82838.25

AvcAv20.0840.881.6测试结果及分析

1. 测试结果

1)电源电压VCC5V,VCC5V时，负载电阻RL8.5时的情况

V，VC14.484V， 对于图1所示电路，静态时，VA0.0V，VB0.021VB41.069V，VB61.26V。

当VCC5V,VCC5V时，信号源输出Vi63mV（实测值），输出得到最大不失真信号，负载而端电压有效值

Vo2.07V，电路总电流I0.10A。

T1管输入信号Vi1678mV，T1管输出电压VC147.5mV，

T4管输出入信号VB42.75V。

负载而端电压有效值Vo2.07V，负载得到的功率Po0.504W。

2Vo2/RL2.07/8.5电路总效率50.4%。

2VCCI250.12) 电源电压VCC6V,VCC6V时，负载电阻RL8.5时的情况

当VCC6V,VCC6V时，信号源输出Vi72.47mV（实测值），输出得到最大不失真信号，负载而端电压有效值Vo2.73V，电路总电流I0.14A。

负载而端电压有效值Vo2.73V，负载得到的功率Po0.87W。

2Vo2/RL2.73/8.50.8751.78%。 电路总效率2VCCI20.141.683) 电源电压VCC7V,VCC7V时，负载电阻RL8.5时的情况

当VCC7V,VCC7V时，信号源输出Vi94.53mV（实测值），输出得到最大不失真信号，负载而端电压有效

值Vo3.5V，电路总电流I0.19A。

负载而端电压有效值Vo3.5V，负载得到的功率Po1.44W。

3.52/8.5Vo2/RL1.44电路总效率54.13%

2VCCI270.192.664) 电源电压VCC9V,VCC9V时，负载电阻RL8.5时的情况

当VCC9V,VCC9V时，信号源输出Vi126mV（实测值），输出得到最大不失真信号，负载而端电压有效值

Vo4.65V，电路总电流I0.255A。

负载而端电压有效值Vo4.65V，负载得到的功率Po2.54W。

4.652/8.5Vo2/RL2.54电路总效率55.33%

2VCCI290.2554.595) 电源电压VCC12V,VCC12V时，负载电阻RL8.5时的情况

当VCC12V,VCC12V时，信号源输出Vi189mV（实测值），输出得到最大不失真信号，负载而端电压有效值Vo6.51V，电路总电流I0.36A。

负载而端电压有效值Vo6.51V，负载得到的功率Po4.98W。

6.52/8.5Vo2/RL4.985电路总效率57.69%

2VCCI2120.368.642．电压电压VCC5V,VCC5V，差动放大电路输入信号Vi1678mV时的误差分析 1）电路总的电压放大倍数误差

当实际输入信号Vi1678mV时，Vo2.07V，电路总的电压放大倍数AV误差A2.073.05。 0.6783.052.8287.27%

3.052）差动电路电压放大倍数误差

当实际输入信号Vi1678mV时，差动电路输出电压VC148mV 实际电压放大倍数Avc误差AC480.07 6780.0840.0716.6%

0.0843）T3管电路电压放大倍数误差

差动电路输出电压VC148mV时，T3输出电压VC32.75V

2.7557.29 0.04857.2938.25误差Av133.23%

57.29实际电压放大倍数Av14)功率放大电路电压放大倍数误差 功率放大电路输入信号VC3VB42.75V 实际电压放大倍数Av2误差Av22.070.75 2.750.880.7517.33%

0.75由上述误差结果可以看出，电路总的电压放大倍数误差在允许范围内，其中T3管电路电压放大倍数误差最大，之所以是这样，是因为这一级的电压放大倍数是根据前后级电压电压放大倍数估算出来的。功率放大电路的电压放大倍数是根据小信号模型计算的，而不是由大信号折线法计算得到的，所以本级误差较大。第一级差动放大电路实际集电极电阻参数与计算得到的参数有26%的误差，因此造成第一级差动放大电路电压放大倍数误差较大。路总的电压放大倍数是在深度负反馈条件下得到的，因此实际电阻参数与计算得到的参数误差在10%以内。

六、图2.1所示电路测量分析 +VCC Rp1R4IR101 Io7.5K1K10K AT1

R3 T2Rp2 10K 5KR6100 R817 D12O-6C μA741C

1ViR147K3+4R21KD2B100R11R12RLC38T3T4R71KC2 图2-1 R510KR91-VEE集成运放与晶体管组成的功率放大器 1. 电源电压VCC5V,VCC5V时，负载电阻RL8.5时的情况

对于图2.1所示电路，静态时，VC0.084V，VA1.16V，VB0.623V，

当VCC5V,VCC5V时，信号源输出Vip_p158mV（实测值），输出得到最大不失真信号，负载而端电压有效值Vo1.42V，电路总电流I0.07A。运放Av2.74。

负载而端电压有效值Vo1.42V，负载得到的功率Po0.237W。

2Vo2/RL1.42/8.5电路总效率33.8%。

2VCCI250.072. 电源电压VCC6V,VCC6V时，负载电阻RL8.5时的情况

当VCC6V,VCC6V时，信号源输出Vip_p210mV（实测值），输出得到最大不失真信号，负载而端电压有效值Vo1.98V，电路总电流I0.10A。运放Av2.74。

负载而端电压有效值Vo1.98V，负载得到的功率Po0.46W。

2Vo2/RL1.98/8.5电路总效率38.4%

2VCCI250.103. 电源电压VCC7V,VCC7V时，负载电阻RL8.5时的情况

当VCC7V,VCC7V时，信号源输出Vip_p296mV（实测值），输出得到最大不失真信号，负载而端电压有效值Vo2.59V，电路总电流I0.13A。运放Av2.74。

负载而端电压有效值Vo2.59V，负载得到的功率Po0.789W。

2.592/8.5Vo2/RL电路总效率43.3%

2VCCI270.134. 电源电压VCC9V,VCC9V时，负载电阻RL8.5时的情况

当VCC9V,VCC9V时，信号源输出Vip_p476mV（实测值），输出得到最大不失真信号，负载而端电压有效值Vo3.59V，电路总电流I0.22A。运放Av2.74。

负载而端电压有效值Vo3.59V，负载得到的功率Po1.5W。

2Vo2/RL3.59/8.5电路总效率37.8%

2VCCI250.22

二．总结

课设的过程是艰辛的，但是收获是巨大的。首先，我们再一次的加深巩固了对已有的知识的理解及认识；其次，