OCL功率放大器课程设计

物理与电子信息学院模拟电路课程设计成绩评定表专业：电子信息工程班级：12电信本学号：120802054姓名：钟吉森课题名称设计任务与要求设计报告成绩评分标准：①有合理的方案设计和论证、电路参数的计算、总原理图和清单。（0-20分）②电路板制作、调试规范，有详细制作和调试过程。（0-10分）③电路板测试合理，对性能指标测试数据完整，正确；进行数据处理规范，进行了误差计算和误差分析。（0-15分）④对课程设计进行了总结，有体会，并能提出设计的改进、建设性意见。（0-5分）设计报告成绩：电子作品成绩评分标准：①电路正确，能完成设计要求提出的基本功能。（0-30分）②电路板焊接工艺规范，焊点均匀，布局合理。（0-20分）(其中直流电源部分占20%，功能部分80%)电子作品成绩：课程设计成绩总成绩：指导教师：2014年1月15日模拟电路课程设计报告设计课题：功率放大电路设计专业班级：12电信本学生姓名：钟吉森学号:120802054指导教师：曾祥华设计时间：2013.12-2014.1OCL音频功率放大器一、设计任务与要求1．用集成运算放大器和集成功放块设计OCL功放电路2．输入信号为vi≤10mV,RI≥100KΩ;额定输出功率Po≥2W；负载阻抗RL=8Ω；3．频率范围f＝（1-3）KHz；4.用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的直流电源。二、方案设计与论证（至少二个方案比较）OCL（OutputCapeacitorless）功放电路，顾名思义为无输出电容功率放大器，在OCL电路中，T1和T2特性对称，采用了双电源供电。静态时，T1和T2均截止，输出电压为零。设晶体管b—e间的开启电压可忽略不计；输入电压为正弦波。当UiO时，Tl管导通，T2管截止，正电源供电，电流如右图中实线所示，电路为射极输出形式，Uo≈Ui；当Ui0时，T2管导通，T1管截止，负电源供电，电流如图虚线所示，电路也为射极输出形式，Uo≈Ui；可见电路实现了“T，和T2交替工作，正、负电源交替供电，输出与输人之间双向跟随”。不同类型的两只晶体管(T1和T2)交替工作、且均组成射极输出形式的电路称为“互补”电路，两只管子的这种交替工作方式称为“互补”工作方式。题目目要求用用集成功放块实现电路设计，集成运算放大器对输入信号进行处理包括选频（f＝（1-3）kHz）信号放大（Ui≤10mV）等，总体电路组成情况如下滤波电路要求1~3kHz且输入电阻很大可设计一个同相输入带通滤波电路，放大电路可设计为同相和反相放大电路，ocl集成块可选择tda1521双声道功放块和tda2030/tda2030a功放块，电路选其经典应用电路，直流电源可设计成可调式和不可调式。方案一方案分析：①Tda15212.5￥;LM78120.85￥;LM79121.1￥扬声器6*2=12￥主要芯片和部件总价为16.45￥②查阅数据手册可知双声道tda1521OCL双电源工作电压10~20V其经典应用电路为16V，芯片在±12V电源下不能发挥其最佳性能。1.方案二图2-2方案分析：①tda2030a1.3￥；LM3170.68￥LM3371.72￥扬声器6￥主要芯片和部件总价为9.7￥②tda2030a外接元件非常少。输出功率大，Po=16W(RL=8Ω)。采用超小型封装（TO-220）,可提高组装密度。开机冲击极小。内含各种保护电路，因此工作安全可靠。主要保护电路有：短路保护、热保护、地线偶然开路、电源极性反接（Vsmax=12V）以及负载泄放电压反冲等。TDA2030A能在最低±6V最高±22V的电压下工作在±19V、8Ω阻抗时能够输出16W的有效功率，THD≤0.1%。引脚情况1脚是正相输入端2脚是反向输入端3脚是负电源输入端4脚是功率输出端5脚是正电源输入端。注意事项ⅰ：TDA2030A具有负载泄放电压反冲保护电路，如果电源电压峰值电压40V的话，那么在5脚与电源之间必须插入LC滤波器，二极管限压（5脚因为任何原因产生了高压，一般是喇叭的线圈电感作用，使电压等于电源的电压）以保证5脚上的脉冲串维持在规定的幅度内。ⅱ：热保护：限热保护有以下优点，能够容易承受输出的过载（甚至是长时间的），或者环境温度超过时均起保护作用。ⅲ：与普通电路相比较，散热片可以有更小的安全系数。万一结温超过时，也不会对器件有所损害，如果发生这种情况，Po=（当然还有Ptot）和Io就被减少。ⅳ：印刷电路板设计时必须较好的考虑地线与输出的去耦，因为这些线路有大的电流通过。ⅴ：装配时散热片与之间不需要绝缘，引线长度应尽可能短，焊接温度不得超过260℃，12秒。ⅵ：虽然TDA2030A所需的元件很少，但所选的元件必须是品质有保障的元件TDA2030a数据表通过分析，结合设计电路性能指标、器件的性价比，本设计电路选择方案二。三、单元电路设计与参数计算1.直流稳压电源电路直流电源由电源变压器，整流电路，滤波电路，稳压电路四部分构成稳压电源的组成框图3-1所示。+电源+整流+滤波+稳压u1u2u3uIU0_变压器_电路_电路_电路图3-1稳压电源的组成框图（1）整流，滤波电路右图为单相桥式整流电路各部分的电压和电流的波形，输出电压的平均值得整流后波形电容滤波滤波原理如图所示，滤波之后电压平均值上式表明，当负载开路，即RL=∞时，当RLC=（3~5）T/2时由于变压器副端输出为15V交流电，电容及二极管耐压值要U1.1√2Uo计算得耐压值为23V。（2）稳压电路(右图)查阅LM317数据手册其基准电压为1.25V最小负载电流取10mA可计算出R3的最大值R3=1.25/0.01=125欧姆，输出电压为Uo=（1+R3/R2）*1.25取R3=120欧，变阻器取5k欧，实际调节中不能将变阻器调至最大值，否则容易将稳压块烧坏。（2）可调直流电源总图2.功能部分电路（1）带通滤波电路将低通滤波器和高通滤波器串联就可得到带通滤波器右图为实用压控电压源二阶带通滤波电路。Up(s)为同相比例运算电路的输入，比例系数当C1=C2=C，R1=R，R2=2R时，电路的传递函数令f。=1/(2∏RC),当f=f。时得出通带放大倍数上下限截止频率通频带题目要求（1~3）kHz中心频率f。=2kHz，带宽fb=2kHz，令品质因数Q=1，比例系数为Auf=2，则f=f。时得到通带增益Aup=2，根据f。=1/(2∏RC)令C=0.1uf，得R1=R3=795.8欧姆，R2=2R1=1591.6欧姆。理论上fp1=1.2kHz，fp2=3.2（2）同相比例放大电路同相比例放大电路具有高输入电阻低输出电阻的特性放大倍数Au2=（1+Rf/R），题目要求功放输出功率大于Po2W，查阅TDA2030a数据表推算出±15V供电时，要设置的功率范围是2~10.5W，其输出电压范围4~13V，tda2030a电压增益设置为27倍，所以功放前级输入电压为148~481mV，题目要求第一级输入Ui10mV，第一级带通滤波在中心频率处放大两倍，所以在同相比例放大电路前级输入Ui220mV，为使其能响应3mV左右的信号，同相比例放大设置为41倍，即Rf/R=40，取Rf=1.2k欧姆，R=30欧姆（3）功放部分电路这里取其典型应用电路，电压增益为右图Au3=R5/R9，这里设置为20000/750=27倍，Vcc=15V，RL=8欧姆取Uces=2V，最大不失真电压Uom=13V最大输入有效值13/27=481.5mV旁路元件作用C5C7低频退耦，C4C8高频退耦，C6隔直，C2反相隔直，C3R3移相稳定频率，两个二极管输出电压正负限幅保护，R5R9闭环增益设置，R10同相输入偏置调节输入阻抗。功能部分电路总图四、总原理图及主要元器件清单1．总原理图：2．主要元件清单表1部分元件清单元件名称型号主要参数数量备注（单价）变压器O/P15V×2I/PAC220V50~60HZ115整流二极管1N4007反向耐压1000V6发光二极管1.2V10mA2滤波电容电解电容25V2200uf20.38稳压块LM317T1.25~37V可调10.68稳压块LM337—1.25~—37V11.72变阻器蓝色精密5k2集成运放ua74120.68集成功放Tda2030a闭环增益26倍10.88二极管1N4001反向耐压50V2电容电阻其他五、安装与调试1.电路安装电源电路和功能部分电路分开安装焊接。电源部分正负极具对称性，电源在长期工作的时候变压器和稳压块容易发热，在排布的时候应考虑散热问题，稳压块应加散热片，元件间隔尽量不要排布的太紧密，但是历史上电子产品越做越小越来越精细，实际应用中人们也会考虑便携性。焊接时应合理布局，太疏体积大，太密元件可能相互影响，焊接时特别注意稳压块三个脚输317：1脚调节，2脚输出，3脚输入；337:1脚调节，2脚输入，3脚输出，注意滤波电容极性接反容易爆炸，一般电解电容侧身白条标有负号那个脚即是负极，发光二级管长脚为正。右图为实物图，电源不长期使用因此图中没安装散热片功能部分功能部分有三级电路分别是滤波电路、放大电路、功放电路。Tda2030a发热比较严重必须加散热片（上交作品已加散热片），考虑到电路要求一些特殊阻值的电阻，在实际焊接时可能要串并联拼凑达到相近阻值，这对焊接在小板子上增加了挑战，一开始我把三级电路都串联起来了，应老师要求对每一级电路都要测试并留出夹子。我在原来的基础上引出夹子。本来想三级电路电源线合并，考虑到功放供电可以在一定电压范围，因此功放部分单独引出电源线，从各级电路来看，接地的比较多比较复杂，合并在一起可能对接地电阻会有影响，从而影响单级测试数据。图中电位器因为自己想播放音乐，手机耳机音频输出电压比较大喇叭功率只有3W而加上去的，测试时不经过电位器。2.电路调试（1）静态调试电源第一次调试时即表现良好，电压精确可调，第二天调试时数据突然增大，在19~20V范围内，负电源正常，正电源指示灯很快熄灭随后120欧姆的电阻烧坏，重重检测之后发现是稳压块坏了，换过新的稳压块数据果然正常。功放部分在无输入信号时输出检测不到电流。说明静态工作良好，无噪音干扰。（2）动态调试功能部分安老师要求分级调试，第一级滤波就出现问题，在f=2kHz时电压增益理论上是输入电压的两倍，实际上是减小了。初步认为是联级相互影响，分开之后依然减小，第二级电路分开单独调试数据正常放大倍数在41倍多一点。第三级电路增益正常在27倍左右。之后的调试都卡在了第一级电路上，不断的检测中发现两个低级错误，电路两根线接错。接好之后一切正常六、性能测试与分析（要围绕设计要求中的各项指标进行）（无详细测试过程和数据处理、误差计算与分析，设计报告视为不合格）1.直流电源测试与分析（1）测试步骤先调好±15V再测量电网电压，变压器副端电压，稳压块输入电压，稳压块输出电压。（2）测试数据数据稳压块电网电压（~V）变压器副端（~V）稳压块输入（V）稳压块输出（V）LM31722616.020.5715.0LM33722616.120.5715.0（3）数据处理数据1.25~20V正负可调（4）误差计算无（5）结论分析（包含误差分析）1.25~20V可调项目2.功能电路测试与分析（1）测试步骤第一级带通滤波，第二级放大电路，第三级功放电路（2）测试数据（含处理）★带通滤波数据f。=2kHz，Aup=2，Q=1频率f（kHz）0.10.20.50.70.911.31.51.71.922.12.22.3Ui(mV)1010101010.110.110.210.210.310.210.210.210.210.2Uo(mV)0.942.045.307.409.4310.8313.9415.7416.9917.5917.6617.6017.2516.94Au0.0940.2040.530.74