低频功率放大器--电子设计竞赛G题[1]

低频功率放大器（G题）摘要：本设计主要由低噪声放大电路、带阻滤波电路、信号放大电路、功率放大电路、峰值检波、单片机控制、AD转换、LCD显示、稳压电源等组成。低噪声放大电路选取甚低噪声宽带高精度运算放大器OP37，并采用并联负反馈，具有良好的抗共模干扰能力。功率放大电路采用双MOS晶体管的甲乙类推挽放大电路。带阻滤波器在50Hz频率点输出功率衰减≥6dB，阻带频率范围为43～57Hz，有效滤除了工频噪声的干扰。设计的低频功率放大器的通带为6Hz～140KHz，很好地完成了通频带的扩展。所有电路结构简单，所选器件价格便宜，并给出了测试结果。测试结果表明，该低频功率放大器可以很好地实现对低频信号的放大作用，其输出带宽、功率、效率等方面具有较好的指标、较高的实用性，为低频功率放大器的设计提供了广阔的思路。关键词：功率放大器；OP37；MOS晶体管；输出功率基本要求（1）当输入正弦信号电压有效值为5mV时，在8Ω电阻负载（一端接地）上，输出功率≥5W，输出波形无明显失真。（2）通频带为20Hz～20kHz。（3）输入电阻为600Ω。（4）输出噪声电压有效值V0N≤5mV。（5）尽可能提高功率放大器的整机效率。（6）具有测量并显示低频功率放大器输出功率(正弦信号输入时)、直流电源的供给功率和整机效率的功能，测量精度优于5%。发挥部分（1）低频功率放大器通频带扩展为10Hz～50kHz。（2）在通频带内低频功率放大器失真度小于1%。（3）在满足输出功率≥5W、通频带为20Hz～20kHz的前提下,尽可能降低输入信号幅度。（4）设计一个带阻滤波器，阻带频率范围为40～60Hz。在50Hz频率点输出功率衰减≥6dB。（5）其他。一、方案论证比较1.1低噪声问题设计要求输出噪声电压有效值低于5mv，因此前级放大电路要选用OP37型低噪声运放。并采用同相无对地电阻的反相放大电路，使电路中的噪声源—电阻的数量达到最少，以最大限度地获得低噪声。1.2灵敏度问题由于信号至少需要被放大一千多倍。考虑到运算放大器的放大倍数和通频带的关系，所以放大电路采用两级放大。(整机增益为10020倍)1.3高保真问题功率放大电路采用了具有负反馈功能的甲乙类推挽放大电路，有效克服了普通甲乙类推挽放大电路的交越失真问题。1.4提高效率的问题（亮点）运算放大器的电源电压高于功率输出级的电源电压，最大限度地提高了电源电压的利用率，也就是功率放大器的效率。1.5电源方案（创新点）将稳压前的电压作为运算放大器的电源，稳压后的12V提供给功率输出级，这样就在获得两套对称电源输出的同时，最大限度地简化了电源结构。1.6陷波器功能的革新（创新点）对陷波电路进行了革新，使经典陷波器尖锐的幅频特性曲线变得圆滑一些，使其更加适合消除机械发电机产生的不够精确和稳定的50Hz工频干扰。1.7参数监控问题低频功率放大器输出功率、直流电源的供给功率和整机效率的测量与显示电路，以单片机为控制芯片，信号经AD转换后送给LCD显示，不仅成本低，并且很好的完成了要求。1.8整机系统方框图我们设计的低频功率放大器主要由前级低噪声放大电路、中级信号放大电路、功率放大电路、带阻滤波器、电源电路、峰值检波电路、AD转换电路、单片机控制电路、LCD显示电路等组成，系统框图如图1所示。图1系统框图二、主要电路设计与计算2.1输出功率及电源电压设计要求在8Ω电阻负载上输出功率≥5W，考虑留出一定的裕量,故设计输出功率输出级的电源电压为12V，输出功率输出级的输出电压峰值则接近12V,，最大输出功率则接近9W，满足题目要求。P=U×U/2R=12×12/(2×8)=9W2..2增益分配确定采用两级放大器，一级跟随器兼增益调节。前置放大器的增益Av1=167倍，功率放大器的增益Av2=60倍，跟随器兼增益调节的增益Av3=0~1倍。整机增益为Av=Av1×Av2×Av3=167×60×(0~1)=0~10020倍。2.3低噪声前置放大电路低噪声前置放大电路是由运放构成的反相放大器，如图2所示。运放选取甚低噪声宽带高精度运算放大器OP37，其失调电压低于25uV，从而有效降低外界噪声干扰。采用反相放大器，使电路所用元器件的个数降到最少，电路简单可靠。图2前级低噪声放大电路2.4阻带滤波器实际电网产生的50Hz工频干扰是机械发电机产生的，其频率是不够精确和稳定的，会在49.5～50.5Hz范围内波动。常规陷波器对陷波频率衰减的幅频特性曲线很尖锐，不利于衰减50HZ附近的频率，如图3(a)中曲线A所示。针对这种缺陷，我们调整了陷波器的参数(将R3由典型值的16.5KΩ改为22KΩ)，使陷波器的幅频特性曲线改变成了如图3(a)中B所示的形状，使其对50HZ附近的频率的衰减特性大大改善。图3(a)陷波器幅频特性曲线针对设计要求的阻带频率范围为40～60Hz，且在50Hz频率点输出功率衰减≥6dB，我们设计了Q值可调、衰减幅度可调的功能，如图3(b)所示。经调试，电路的参数完全达到了理论设计要求。图3(b)阻带滤波器2.5中间信号跟随电路及增益调节方案①、中间级信号跟随电路为由运放TL084组成的，用于实现陷波器与增益调节电位器之间的阻抗转换。②、经测试，精密线绕电位器和通用碳膜电位器的幅频特性远不能满足题目要求，而微型微调电位器的幅频特性可在0Hz~240KHz范围保持平坦。所以决定采用微型微调电位器实现增益调节功能，这样可以简单地回避在电路中采用繁琐的频率补偿方案。2.6功率放大电路功率放大电路采用了具有负反馈功能的甲乙类推挽放大电路，末级功放管采用分立的大功率互补对称的场效应晶体管2RF630、2RF9630，如图4所示。一般电路的反馈采样点选在运放的输出端(图4中a点)，而本设计中选取在功率输出端(图4中b点)，利用反向比例放大器的强负反馈功能来纠正功率输出及的交越失真。末级功率放大电路工作在甲乙类状态，静态工作电流为25mA。图4功率放大电路2.7提高功率放大器效率的措施①、大功率MOS场效应管具有很低的饱和压降，如2RF630场效应管在大电流(ID=2A)时的饱和压降UD=0.1V。所以用MOS场效应管组成的对称互补型功率输出电路，输出电压可以很接近电源电压，也就是可以很接近70%的理想输出效率，如下图c’中场效应管组成的对称互补型型功率输出级的输出电压与电源电压之间的关系。图5提高功率放大器效率的原理②、但作为推动级的运算放大器TL084的输出电压明显不能达到轨到轨的水平(见图中运放的最大输出电压)，而且由于功率输出级存在内阻，使功率输出级的输出电压又明显小于推动级运放的输出电压(见图中a、a’和c、c’之间的关系)，从而使功率输出级的输出电压明显不能接近电源电压，功率输出级的效率因此不能得到充分发挥。若强制增大推动级运放的输出电压，将会出现失真(见图中b、b’之间的关系)。③、我们提高功率放大器效率的措施是：采用推动级运算放大器的电源电压高于功率输出级的电源电压的方法，创造运算放大器TL084的输出电压可以显著大于功率输出级最大输出电压的条件。如上图所示推动级运放的输出电压与电源电压之间的关系，从而最大限度地提高了功率输出级对电源电压的利用率。2.7减小失真的措施推动级运算放大器因纠正功率输出电路非线性失真的需要和功率输出电路自身输出阻抗的原因，推动级比例运算放大器在正常放大时，输出电压会明显大于功率输出的电压；从而使其阻碍功率输出效率的作用更加显著，如图A所示：图5减小失真的原理2.8峰值检波电路峰值检波器为理想检波电路，该电路可以消除检波二极管的正向导通电压所引起的误差。如图5所示，测得的电压峰值送给单片机处理。图6峰值检波电路2.9稳压电源电路本设计的供电系统采用了自行设计的直流稳压电源，该稳压电源以最简单的结构为本设计提供了3套电源。原理框图如图6所示。图7直流稳压电源1Ω的整机电流取样电阻设在7812的前面，是为了不增加7812的低输出阻抗。由于运算放大器的高共模电源电压其抑制比，所以，为运算放大器提供的电源无需稳压。2.10防自激的措施由于本音频功放的电压放大倍数很大(Av最大超过104倍)，所以电路很容易自激。我们采取两套措施来解决自激问题：1、对前置放大器的电源进行滤波，以减小前后级放大器之间的交流耦合，如图所示R1、R2、C1、C2、组成的滤波电路。由于前置放大器不会有大的输出电压，所以，该滤波电路虽然降低了前置放大器的电源电压，却不会影响整机的输出电压动态范围。2、让负载的大电流完全不通过信号回路，见图7中虚线框内的地线结构。图8防自激的措施2.11双减法器设计由于双电源的正负电源输出的电流不一定相等，所以我们设计了双减法器（仅仅多了三个电阻），能够获得双电源的正负电源输出电流的平均值，使输出的数据更加稳定，准确。图9双减法器2.12显示电路设计显示电路是以单片机STC89C52RC为核心，由多通道AD转换芯片TLC1543采样电压信号，最后计算结果送LCD12864显示，如图7所示。其中TLC1543的通道1采集8Ω电阻负载上输出的峰值电压omU，通道2采集稳压电源在标准电阻Rc=1Ω上U，然后送给单片机做处理，其中输出功率22omoUPR，供给功率icUPUR供，最后将数据送LCD显示。图10显示电路原理图程序由主程序和中断程序组成，如图8所示。在主程序中，首先对LCD、定时中断T0等进行初始化，给任务变量赋初值，然后进行AD转换并送LCD显示，同时等待中断。进入中断后，任务全局变量，即I和J同时减1，由于变量赋了初值，当I减至0时，执行任务1，即AD采样及数据处理，然后再赋值给I；当J减至0时，执行任务2，即数据更新显示，然后再赋值给J，等待下一次的中断即变量减1，直至为0，又执行各任务。图11程序流程图三、测试方案与测试结果3.1输出功率的测量所用仪器：TFG1005DDS函数信号发生器，RIGOLDS5022M型双通道数字存储示波器。测量方法：用函数信号发生器提供电压有效值为5mV的正弦输入信号，调整其频率在20Hz～20kHz之间变化，用示波器测量8Ω电阻负载上的电压信号，可以看到输出波形无明显失真。记录几个随机频率点处负载两端的电压有效值U有效，利用公式2oUPR有效即可求出输出功率。测量结果：如表1所示。表1输出功率的测量结果f(Hz)20Hz200Hz2K20KU有效(V)6.366.366.366.36oP(W)55553.2通频带的测量所用仪器:TFG1005DDS函数信号发生器，RIGOLDS5022M型双通道数字存储示波器。测量方法：方法同上，需要分别测量20Hz和20KHz附近处的电压有效值，如果这两点处的电压幅值大于0.7072UU有效有效，而小于20Hz和大于20KHz的频率点的电压值小于0.707U有效。测量结果：如表2所示。表2通频带的测量结果21U有效7.07Vf(Hz)2611205K10K15K20K50K100K140KU有效(V)457.077.077.077.077.077.076.85.853.3输入阻抗的测量所用仪器:万用表，TFG1005DDS函数信号发生器，RIGOLDS5022M型双通道数字存储示波器。测量方法：不接负载，断开电源，在功率放大电路输入端之前串接一个600欧的电阻R，在此外接电阻之前输入电压有效值为5mV正弦信号，用示波器测量外接电阻端的信号电压有效值UR有效和原输入端的信号电压有效值iU有效。测量结果：测得US有效5mV，iU有效2.5mV，根据iiiUURRRS有效有效可求得iR600Ω3.4输出噪声电压的测量所用仪器:带宽为2MHZ的毫伏表测量方法：将输入端接地，用交流毫伏表测量负载上的电压有效值ONU。测量结果：测得ONU5mV。3.5测量、显示功能的测试所用仪器:DH1718D_2双路跟踪稳压稳流电源，TFG1005DDS函数信号发生器，RIGOLDS5022M型双通道数字存储示波器，万用表。测量方法：把万用表串联在直流信号源与功率放大电路之间，利用其电流档测直流输入电流iI，直流