G題低頻功率放大器教案資料

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。G題低頻功率放大器-低頻功率放大器（G題）摘要：本設(shè)計主要由低噪聲放大電路、帶阻濾波電路、信號放大電路、功率放大電路、峰值檢波、單片機控制、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算放大器OP37，并采用并聯(lián)負反饋，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)計的低頻功率放大器的通帶為6Hz140KHz，很好地完成了通頻帶的擴展。所有

2、電路結(jié)構(gòu)簡單，所選器件價格便宜，并給出了測試結(jié)果。測試結(jié)果表明，該低頻功率放大器可以很好地實現(xiàn)對低頻信號的放大作用，其輸出帶寬、功率、效率等方面具有較好的指標、較高的實用性，為低頻功率放大器的設(shè)計提供了廣闊的思路。關(guān)鍵詞：功率放大器；OP37；MOS晶體管；輸出功率基本要求（1）當輸入正弦信號電壓有效值為5mV時，在8電阻負載（一端接地）上，輸出功率5W，輸出波形無明顯失真。（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效率。（6）具有測量并顯示低頻功率放大器輸出功率(正弦信號輸入時)、直流電源的供給功率和整機效

3、率的功能，測量精度優(yōu)于5%。發(fā)揮部分（1）低頻功率放大器通頻帶擴展為10Hz50kHz。（2）在通頻帶內(nèi)低頻功率放大器失真度小于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幅度。（4）設(shè)計一個帶阻濾波器，阻帶頻率范圍為4060Hz。在50Hz頻率點輸出功率衰減6dB。（5）其他。一、方案論證比較1.1低噪聲問題設(shè)計要求輸出噪聲電壓有效值低于5mv，因此前級放大電路要選用OP37型低噪聲運放。并采用同相無對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至少需要被放大一千多倍?？紤]到運算放大器的放

4、大倍數(shù)和通頻帶的關(guān)系，所以放大電路采用兩級放大。(整機增益為10020倍)1.3高保真問題功率放大電路采用了具有負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）運算放大器的電源電壓高于功率輸出級的電源電壓，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）將穩(wěn)壓前的電壓作為運算放大器的電源，穩(wěn)壓后的12V提供給功率輸出級，這樣就在獲得兩套對稱電源輸出的同時，最大限度地簡化了電源結(jié)構(gòu)。1.6陷波器功能的革新（創(chuàng)新點）對陷波電路進行了革新，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械發(fā)電

5、機產(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、直流電源的供給功率和整機效率的測量與顯示電路，以單片機為控制芯片，信號經(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整機系統(tǒng)方框圖我們設(shè)計的低頻功率放大器主要由前級低噪聲放大電路、中級信號放大電路、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)計與計算2.1輸出功率及電源電壓設(shè)計要求在8電阻負載上輸出功率5W，考慮留出一定的裕量,故設(shè)計輸出功率輸出級的電源電壓為12V，輸出功率輸出級的輸出

6、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=UU/2R=1212/(28)=9W2.2增益分配確定采用兩級放大器，一級跟隨器兼增益調(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。整機增益為Av=Av1Av2Av3=16760(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放構(gòu)成的反相放大器，如圖2所示。運放選取甚低噪聲寬帶高精度運算放大器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數(shù)降到最少，電路簡單可靠。圖2前級低噪聲放大電路2.4

7、阻帶濾波器實際電網(wǎng)產(chǎn)生的50Hz工頻干擾是機械發(fā)電機產(chǎn)生的，其頻率是不夠精確和穩(wěn)定的，會在49.550.5Hz范圍內(nèi)波動。常規(guī)陷波器對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設(shè)計要求的阻帶頻率范圍為4060Hz，且在50Hz頻率點輸出功率衰減6dB，我們設(shè)計了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，電路的參數(shù)完全達到了理

8、論設(shè)計要求。圖3(b)阻帶濾波器2.5中間信號跟隨電路及增益調(diào)節(jié)方案、中間級信號跟隨電路為由運放TL084組成的，用于實現(xiàn)陷波器與增益調(diào)節(jié)電位器之間的阻抗轉(zhuǎn)換。、經(jīng)測試，精密線繞電位器和通用碳膜電位器的幅頻特性遠不能滿足題目要求，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)電位器實現(xiàn)增益調(diào)節(jié)功能，這樣可以簡單地回避在電路中采用繁瑣的頻率補償方案。2.6功率放大電路功率放大電路采用了具有負反饋功能的甲乙類推挽放大電路，末級功放管采用分立的大功率互補對稱的場效應(yīng)晶體管2RF630、2RF9630，如圖4所示。一般電路的反饋采樣點選在運放的輸出端(圖4中a點)，

9、而本設(shè)計中選取在功率輸出端(圖4中b點)，利用反向比例放大器的強負反饋功能來糾正功率輸出及的交越失真。末級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場效應(yīng)管具有很低的飽和壓降，如2RF630場效應(yīng)管在大電流(ID=2A)時的飽和壓降UD=0.1V。所以用MOS場效應(yīng)管組成的對稱互補型功率輸出電路，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中場效應(yīng)管組成的對稱互補型型功率輸出級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、但作為推動級的運算放大器TL084的輸出電壓明顯不能達到

10、軌到軌的水平(見圖中運放的最大輸出電壓)，而且由于功率輸出級存在內(nèi)阻，使功率輸出級的輸出電壓又明顯小于推動級運放的輸出電壓(見圖中a、a和c、c之間的關(guān)系)，從而使功率輸出級的輸出電壓明顯不能接近電源電壓，功率輸出級的效率因此不能得到充分發(fā)揮。若強制增大推動級運放的輸出電壓，將會出現(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：采用推動級運算放大器的電源電壓高于功率輸出級的電源電壓的方法，創(chuàng)造運算放大器TL084的輸出電壓可以顯著大于功率輸出級最大輸出電壓的條件。如上圖所示推動級運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級對電源電壓的利用率。2.7減小

11、失真的措施推動級運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，推動級比例運算放大器在正常放大時，輸出電壓會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，測得的電壓峰值送給單片機處理。圖6峰值檢波電路2.9穩(wěn)壓電源電路本設(shè)計的供電系統(tǒng)采用了自行設(shè)計的直流穩(wěn)壓電源，該穩(wěn)壓電源以最簡單的結(jié)構(gòu)為本設(shè)計提供了3套電源。原理框圖如圖6所示。圖7直流穩(wěn)壓電源1的整機電流取樣電阻設(shè)在7812的前面，是為了不增加7812的低輸

12、出阻抗。由于運算放大器的高共模電源電壓其抑制比，所以，為運算放大器提供的電源無需穩(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解決自激問題：1、對前置放大器的電源進行濾波，以減小前后級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，卻不會影響整機的輸出電壓動態(tài)范圍。2、讓負載的大電流完全不通過信號回路，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)計由于雙電源的正負電源輸出的電流不一定相等，所以我們設(shè)

13、計了雙減法器（僅僅多了三個電阻），能夠獲得雙電源的正負電源輸出電流的平均值，使輸出的數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定，準確。圖9雙減法器2.12顯示電路設(shè)計顯示電路是以單片機STC89C52RC為核心，由多通道AD轉(zhuǎn)換芯片TLC1543采樣電壓信號，最后計算結(jié)果送LCD12864顯示，如圖7所示。其中TLC1543的通道1采集8電阻負載上輸出的峰值電壓，通道2采集穩(wěn)壓電源在標準電阻Rc=1上U，然后送給單片機做處理，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LCD、定時中斷T0等進行初始化，給任務(wù)變量賦初值，然后進行AD轉(zhuǎn)換并送L

14、CD顯示，同時等待中斷。進入中斷后，任務(wù)全局變量，即I和J同時減1，由于變量賦了初值，當I減至0時，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J減至0時，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、測試方案與測試結(jié)果3.1輸出功率的測量所用儀器：TFG1005DDS函數(shù)信號發(fā)生器，RIGOLDS5022M型雙通道數(shù)字存儲示波器。測量方法：用函數(shù)信號發(fā)生器提供電壓有效值為5mV的正弦輸入信號，調(diào)整其頻率在20Hz20kHz之間變化，用示波器測量8電阻負載上的電壓信號，可以看到輸出波形無明顯失真。記錄幾個隨機頻率點處

15、負載兩端的電壓有效值，利用公式即可求出輸出功率。測量結(jié)果：如表1所示。表1輸出功率的測量結(jié)果f(Hz)20Hz200Hz2K20K(V)6.366.366.366.36(W)55553.2通頻帶的測量所用儀器:TFG1005DDS函數(shù)信號發(fā)生器，RIGOLDS5022M型雙通道數(shù)字存儲示波器。測量方法：方法同上，需要分別測量20Hz和20KHz附近處的電壓有效值，如果這兩點處的電壓幅值大于，而小于20Hz和大于20KHz的頻率點的電壓值小于。測量結(jié)果：如表2所示。表2通頻帶的測量結(jié)果U有效7.07Vf(Hz)2611205K10K15K20K50K100K140K(V)457.077.077.

16、077.077.077.076.85.853.3輸入阻抗的測量所用儀器:萬用表，TFG1005DDS函數(shù)信號發(fā)生器，RIGOLDS5022M型雙通道數(shù)字存儲示波器。測量方法：不接負載，斷開電源，在功率放大電路輸入端之前串接一個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，用示波器測量外接電阻端的信號電壓有效值和原輸入端的信號電壓有效值。測量結(jié)果：測得5mV，2.5mV，根據(jù)可求得6003.4輸出噪聲電壓的測量所用儀器:帶寬為2MHZ的毫伏表測量方法：將輸入端接地，用交流毫伏表測量負載上的電壓有效值。測量結(jié)果：測得5mV。3.5測量、顯示功能的測試所用儀器:DH1718D_2

17、雙路跟蹤穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，TFG1005DDS函數(shù)信號發(fā)生器，RIGOLDS5022M型雙通道數(shù)字存儲示波器，萬用表。測量方法：把萬用表串聯(lián)在直流信號源與功率放大電路之間，利用其電流檔測直流輸入電流，直流電壓可通過信號源直接讀出；用示波器測量8電阻負載上的電壓有效值，利用公式得直流電源的供給功率；利用公式可得輸出功率；利用公式可得整機效率；測量結(jié)果可從LCD上直接讀取。測量結(jié)果：12V,613mA，6.36V,=68%。3.6失真度測量所用儀器:TFG1005DDS函數(shù)信號發(fā)生器，RIGOLDS5022M型雙通道數(shù)字存儲示波器。測量方法：測量8電阻負載上的電壓信號，用基波剔除法，即測量信號中的基波和各次諧波的電壓，獲得基波和各次諧波的電壓，從而計算出失真度。5總結(jié)該系統(tǒng)采用直流供電，低