低頻功率放大器電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽G題1

1、低頻功率放大器（G題）摘要：本設(shè)計(jì)主要由低噪聲放大電路、帶阻濾波電路、信號(hào)放大電路、功率放大電路、峰值檢波、單片機(jī)控制、AD轉(zhuǎn)換、LCD顯示、穩(wěn)壓電源等組成。低噪聲放大電路選取甚低噪聲寬帶高精度運(yùn)算放大器OP37，并采用并聯(lián)負(fù)反饋，具有良好的抗共模干擾能力。功率放大電路采用雙MOS晶體管的甲乙類推挽放大電路。帶阻濾波器在50Hz頻率點(diǎn)輸出功率衰減6dB，阻帶頻率范圍為4357Hz，有效濾除了工頻噪聲的干擾。設(shè)計(jì)的低頻功率放大器的通帶為6Hz140KHz，很好地完成了通頻帶的擴(kuò)展。所有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所選器件價(jià)格便宜，并給出了測(cè)試結(jié)果。測(cè)試結(jié)果表明，該低頻功率放大器可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻信號(hào)的放大作

2、用，其輸出帶寬、功率、效率等方面具有較好的指標(biāo)、較高的實(shí)用性，為低頻功率放大器的設(shè)計(jì)提供了廣闊的思路。關(guān)鍵詞：功率放大器；OP37；MOS晶體管；輸出功率基本要求（1）當(dāng)輸入正弦信號(hào)電壓有效值為5mV時(shí)，在8電阻負(fù)載（一端接地）上，輸出功率5W，輸出波形無(wú)明顯失真。（2）通頻帶為20Hz20kHz。（3）輸入電阻為600。（4）輸出噪聲電壓有效值V0N5mV。（5）盡可能提高功率放大器的整機(jī)效率。（6）具有測(cè)量并顯示低頻功率放大器輸出功率(正弦信號(hào)輸入時(shí))、直流電源的供給功率和整機(jī)效率的功能，測(cè)量精度優(yōu)于5%。發(fā)揮部分（1）低頻功率放大器通頻帶擴(kuò)展為10Hz50kHz。（2）在通頻帶內(nèi)低頻功率

3、放大器失真度小于1%。（3）在滿足輸出功率5W、通頻帶為20Hz20kHz的前提下,盡可能降低輸入信號(hào)幅度。（4）設(shè)計(jì)一個(gè)帶阻濾波器，阻帶頻率范圍為4060Hz。在50Hz頻率點(diǎn)輸出功率衰減6dB。（5）其他。一、方案論證比較1.1 低噪聲問題設(shè)計(jì)要求輸出噪聲電壓有效值低于5mv，因此前級(jí)放大電路要選用OP37型低噪聲運(yùn)放。并采用同相無(wú)對(duì)地電阻的反相放大電路，使電路中的噪聲源電阻的數(shù)量達(dá)到最少，以最大限度地獲得低噪聲。1.2 靈敏度問題由于信號(hào)至少需要被放大一千多倍?？紤]到運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)和通頻帶的關(guān)系，所以放大電路采用兩級(jí)放大。(整機(jī)增益為10020倍)1.3 高保真問題功率放大電路采用

4、了具有負(fù)反饋功能的甲乙類推挽放大電路，有效克服了普通甲乙類推挽放大電路的交越失真問題。1.4 提高效率的問題（亮點(diǎn)）運(yùn)算放大器的電源電壓高于功率輸出級(jí)的電源電壓，最大限度地提高了電源電壓的利用率，也就是功率放大器的效率。1.5 電源方案（創(chuàng)新點(diǎn)）將穩(wěn)壓前的電壓作為運(yùn)算放大器的電源，穩(wěn)壓后的12V提供給功率輸出級(jí)，這樣就在獲得兩套對(duì)稱電源輸出的同時(shí)，最大限度地簡(jiǎn)化了電源結(jié)構(gòu)。1.6 陷波器功能的革新（創(chuàng)新點(diǎn)）對(duì)陷波電路進(jìn)行了革新，使經(jīng)典陷波器尖銳的幅頻特性曲線變得圓滑一些，使其更加適合消除機(jī)械發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的不夠精確和穩(wěn)定的50Hz工頻干擾。1.7 參數(shù)監(jiān)控問題低頻功率放大器輸出功率、直流電源的供給

5、功率和整機(jī)效率的測(cè)量與顯示電路，以單片機(jī)為控制芯片，信號(hào)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后送給LCD顯示，不僅成本低，并且很好的完成了要求。1.8 整機(jī)系統(tǒng)方框圖我們?cè)O(shè)計(jì)的低頻功率放大器主要由前級(jí)低噪聲放大電路、中級(jí)信號(hào)放大電路、功率放大電路、帶阻濾波器、電源電路、峰值檢波電路、AD轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路、LCD顯示電路等組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1 系統(tǒng)框圖二、主要電路設(shè)計(jì)與計(jì)算2.1 輸出功率及電源電壓設(shè)計(jì)要求在8電阻負(fù)載上輸出功率5W，考慮留出一定的裕量,故設(shè)計(jì)輸出功率輸出級(jí)的電源電壓為12V，輸出功率輸出級(jí)的輸出電壓峰值則接近12V,，最大輸出功率則接近9W，滿足題目要求。P = U×U /

6、2R = 12×12 / (2×8) = 9W2.2 增益分配確定采用兩級(jí)放大器，一級(jí)跟隨器兼增益調(diào)節(jié)。前置放大器的增益Av1=167倍，功率放大器的增益Av2=60倍，跟隨器兼增益調(diào)節(jié)的增益Av3=01倍。整機(jī)增益為Av=Av1×Av2×Av3=167×60×(01)=010020倍。2.3 低噪聲前置放大電路低噪聲前置放大電路是由運(yùn)放構(gòu)成的反相放大器，如圖2所示。運(yùn)放選取甚低噪聲寬帶高精度運(yùn)算放大器OP37，其失調(diào)電壓低于25uV，從而有效降低外界噪聲干擾。采用反相放大器，使電路所用元器件的個(gè)數(shù)降到最少，電路簡(jiǎn)單可靠。圖2 前級(jí)低

7、噪聲放大電路2.4阻帶濾波器實(shí)際電網(wǎng)產(chǎn)生的50Hz工頻干擾是機(jī)械發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的，其頻率是不夠精確和穩(wěn)定的，會(huì)在49.550.5Hz范圍內(nèi)波動(dòng)。常規(guī)陷波器對(duì)陷波頻率衰減的幅頻特性曲線很尖銳，不利于衰減50HZ附近的頻率，如圖3(a)中曲線A所示。針對(duì)這種缺陷，我們調(diào)整了陷波器的參數(shù)(將R3由典型值的16.5K改為22K)，使陷波器的幅頻特性曲線改變成了如圖3(a)中B所示的形狀，使其對(duì)50HZ附近的頻率的衰減特性大大改善。圖3(a) 陷波器幅頻特性曲線針對(duì)設(shè)計(jì)要求的阻帶頻率范圍為4060Hz，且在50Hz頻率點(diǎn)輸出功率衰減6dB，我們?cè)O(shè)計(jì)了Q值可調(diào)、衰減幅度可調(diào)的功能，如圖3(b)所示。經(jīng)調(diào)試，電

8、路的參數(shù)完全達(dá)到了理論設(shè)計(jì)要求。 圖3(b) 阻帶濾波器2.5 中間信號(hào)跟隨電路及增益調(diào)節(jié)方案、中間級(jí)信號(hào)跟隨電路為由運(yùn)放TL084組成的，用于實(shí)現(xiàn)陷波器與增益調(diào)節(jié)電位器之間的阻抗轉(zhuǎn)換。、經(jīng)測(cè)試，精密線繞電位器和通用碳膜電位器的幅頻特性遠(yuǎn)不能滿足題目要求，而微型微調(diào)電位器的幅頻特性可在0Hz240KHz范圍保持平坦。所以決定采用微型微調(diào)電位器實(shí)現(xiàn)增益調(diào)節(jié)功能，這樣可以簡(jiǎn)單地回避在電路中采用繁瑣的頻率補(bǔ)償方案。2.6 功率放大電路功率放大電路采用了具有負(fù)反饋功能的甲乙類推挽放大電路，末級(jí)功放管采用分立的大功率互補(bǔ)對(duì)稱的場(chǎng)效應(yīng)晶體管2RF630、2RF9630，如圖4所示。一般電路的反饋采樣點(diǎn)選在

9、運(yùn)放的輸出端(圖4中a點(diǎn))，而本設(shè)計(jì)中選取在功率輸出端(圖4中b點(diǎn))，利用反向比例放大器的強(qiáng)負(fù)反饋功能來(lái)糾正功率輸出及的交越失真。末級(jí)功率放大電路工作在甲乙類狀態(tài)，靜態(tài)工作電流為25mA。圖4 功率放大電路2.7 提高功率放大器效率的措施、大功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管具有很低的飽和壓降，如2RF630場(chǎng)效應(yīng)管在大電流(ID=2A)時(shí)的飽和壓降UD=0.1V。所以用MOS場(chǎng)效應(yīng)管組成的對(duì)稱互補(bǔ)型功率輸出電路，輸出電壓可以很接近電源電壓，也就是可以很接近70%的理想輸出效率，如下圖c中場(chǎng)效應(yīng)管組成的對(duì)稱互補(bǔ)型型功率輸出級(jí)的輸出電壓與電源電壓之間的關(guān)系。圖5提高功率放大器效率的原理、但作為推動(dòng)級(jí)的運(yùn)算放大器

10、TL084的輸出電壓明顯不能達(dá)到軌到軌的水平(見圖中運(yùn)放的最大輸出電壓)，而且由于功率輸出級(jí)存在內(nèi)阻，使功率輸出級(jí)的輸出電壓又明顯小于推動(dòng)級(jí)運(yùn)放的輸出電壓(見圖中a、a和c、c之間的關(guān)系)，從而使功率輸出級(jí)的輸出電壓明顯不能接近電源電壓，功率輸出級(jí)的效率因此不能得到充分發(fā)揮。若強(qiáng)制增大推動(dòng)級(jí)運(yùn)放的輸出電壓，將會(huì)出現(xiàn)失真(見圖中b、b之間的關(guān)系)。、我們提高功率放大器效率的措施是：采用推動(dòng)級(jí)運(yùn)算放大器的電源電壓高于功率輸出級(jí)的電源電壓的方法，創(chuàng)造運(yùn)算放大器TL084的輸出電壓可以顯著大于功率輸出級(jí)最大輸出電壓的條件。如上圖所示推動(dòng)級(jí)運(yùn)放的輸出電壓與電源電壓之間的關(guān)系，從而最大限度地提高了功率輸出

11、級(jí)對(duì)電源電壓的利用率。2.7 減小失真的措施推動(dòng)級(jí)運(yùn)算放大器因糾正功率輸出電路非線性失真的需要和功率輸出電路自身輸出阻抗的原因，推動(dòng)級(jí)比例運(yùn)算放大器在正常放大時(shí)，輸出電壓會(huì)明顯大于功率輸出的電壓；從而使其阻礙功率輸出效率的作用更加顯著，如圖A所示： 圖5減小失真的原理2.8 峰值檢波電路峰值檢波器為理想檢波電路，該電路可以消除檢波二極管的正向?qū)妷核鸬恼`差。如圖5所示，測(cè)得的電壓峰值送給單片機(jī)處理。圖6 峰值檢波電路2.9 穩(wěn)壓電源電路本設(shè)計(jì)的供電系統(tǒng)采用了自行設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓電源，該穩(wěn)壓電源以最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)為本設(shè)計(jì)提供了3套電源。原理框圖如圖6所示。圖7 直流穩(wěn)壓電源1的整機(jī)電流取樣電阻設(shè)

12、在7812的前面，是為了不增加7812的低輸出阻抗。由于運(yùn)算放大器的高共模電源電壓其抑制比，所以，為運(yùn)算放大器提供的電源無(wú)需穩(wěn)壓。2.10 防自激的措施由于本音頻功放的電壓放大倍數(shù)很大(Av最大超過104倍)，所以電路很容易自激。我們采取兩套措施來(lái)解決自激問題：1、對(duì)前置放大器的電源進(jìn)行濾波，以減小前后級(jí)放大器之間的交流耦合，如圖所示R1、R2、C1、C2、組成的濾波電路。由于前置放大器不會(huì)有大的輸出電壓，所以，該濾波電路雖然降低了前置放大器的電源電壓，卻不會(huì)影響整機(jī)的輸出電壓動(dòng)態(tài)范圍。2、讓負(fù)載的大電流完全不通過信號(hào)回路，見圖7中虛線框內(nèi)的地線結(jié)構(gòu)。 圖8防自激的措施2.11 雙減法器設(shè)計(jì)由

13、于雙電源的正負(fù)電源輸出的電流不一定相等，所以我們?cè)O(shè)計(jì)了雙減法器（僅僅多了三個(gè)電阻），能夠獲得雙電源的正負(fù)電源輸出電流的平均值，使輸出的數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定，準(zhǔn)確。圖9雙減法器2.12 顯示電路設(shè)計(jì)顯示電路是以單片機(jī)STC89C52RC為核心，由多通道AD轉(zhuǎn)換芯片TLC1543采樣電壓信號(hào)，最后計(jì)算結(jié)果送LCD12864顯示，如圖7所示。其中TLC1543的通道1采集8電阻負(fù)載上輸出的峰值電壓，通道2采集穩(wěn)壓電源在標(biāo)準(zhǔn)電阻Rc=1上U，然后送給單片機(jī)做處理，其中輸出功率，供給功率，最后將數(shù)據(jù)送LCD顯示。圖10顯示電路原理圖程序由主程序和中斷程序組成，如圖8所示。在主程序中，首先對(duì)LCD、定時(shí)中斷T0等

14、進(jìn)行初始化，給任務(wù)變量賦初值，然后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換并送LCD顯示，同時(shí)等待中斷。進(jìn)入中斷后，任務(wù)全局變量，即 I 和J同時(shí)減1，由于變量賦了初值，當(dāng)I減至0時(shí)，執(zhí)行任務(wù)1，即AD采樣及數(shù)據(jù)處理，然后再賦值給I；當(dāng)J減至0時(shí)，執(zhí)行任務(wù)2，即數(shù)據(jù)更新顯示，然后再賦值給J，等待下一次的中斷即變量減1，直至為0，又執(zhí)行各任務(wù)。圖11程序流程圖三、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果3.1 輸出功率的測(cè)量所用儀器：TFG1005 DDS函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，RIGOL DS5022M型雙通道數(shù)字存儲(chǔ)示波器。測(cè)量方法：用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器提供電壓有效值為5mV的正弦輸入信號(hào)，調(diào)整其頻率在20Hz20kHz之間變化，用示波器測(cè)量8電阻負(fù)載

15、上的電壓信號(hào)，可以看到輸出波形無(wú)明顯失真。記錄幾個(gè)隨機(jī)頻率點(diǎn)處負(fù)載兩端的電壓有效值，利用公式即可求出輸出功率。測(cè)量結(jié)果：如表1所示。表1 輸出功率的測(cè)量結(jié)果f(Hz)20Hz200Hz2K20K(V)6.366.366.366.36(W)55553.2 通頻帶的測(cè)量所用儀器: TFG1005 DDS函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，RIGOL DS5022M型雙通道數(shù)字存儲(chǔ)示波器。測(cè)量方法：方法同上，需要分別測(cè)量20Hz和20KHz附近處的電壓有效值，如果這兩點(diǎn)處的電壓幅值大于，而小于20Hz和大于20KHz的頻率點(diǎn)的電壓值小于。測(cè)量結(jié)果：如表2所示。表2 通頻帶的測(cè)量結(jié)果U有效7.07Vf(Hz)2 6 11

16、205K10K15K20K50K100K140K(V)457.077.077.077.077.077.076.85.853.3 輸入阻抗的測(cè)量所用儀器:萬(wàn)用表，TFG1005 DDS函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，RIGOL DS5022M型雙通道數(shù)字存儲(chǔ)示波器。測(cè)量方法：不接負(fù)載，斷開電源，在功率放大電路輸入端之前串接一個(gè)600歐的電阻R，在此外接電阻之前輸入電壓有效值為5mV正弦信號(hào)，用示波器測(cè)量外接電阻端的信號(hào)電壓有效值和原輸入端的信號(hào)電壓有效值。測(cè)量結(jié)果：測(cè)得5mV，2.5mV，根據(jù)可求得6003.4 輸出噪聲電壓的測(cè)量所用儀器: 帶寬為2MHZ的毫伏表測(cè)量方法：將輸入端接地，用交流毫伏表測(cè)量負(fù)載上的

17、電壓有效值。測(cè)量結(jié)果：測(cè)得5mV。3.5 測(cè)量、顯示功能的測(cè)試所用儀器: DH1718D_2雙路跟蹤穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，TFG1005 DDS函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，RIGOL DS5022M型雙通道數(shù)字存儲(chǔ)示波器，萬(wàn)用表。 測(cè)量方法：把萬(wàn)用表串聯(lián)在直流信號(hào)源與功率放大電路之間，利用其電流檔測(cè)直流輸入電流，直流電壓可通過信號(hào)源直接讀出；用示波器測(cè)量8電阻負(fù)載上的電壓有效值，利用公式得直流電源的供給功率；利用公式可得輸出功率；利用公式可得整機(jī)效率；測(cè)量結(jié)果可從LCD上直接讀取。測(cè)量結(jié)果：12V,613mA，6.36V, =68%。3.6 失真度測(cè)量所用儀器: TFG1005 DDS函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，RIGOL DS5022M型雙通道數(shù)字存儲(chǔ)示波器。測(cè)量方法：測(cè)量8電阻負(fù)載上的電壓信號(hào)，用基波剔除法，即測(cè)量信號(hào)中的基波和各次諧波的電壓，獲得基波和各次諧波的電壓，從而計(jì)算出失真度。5總結(jié) 該系統(tǒng)采用直流供電，低頻交流信號(hào)輸入、由低