低频功率放大器.doc

2009全国大学生电子设计竞赛低频功率放大器设计报告摘要：低频功率放大器主要分为四个部分：前置电压放大电路、功率放大电路、显示控制电路、带阻滤波器。整个系统以模拟电路为主体，配以适当的数字显示电路。整个系统由运算放大器NE5532P构成前级放大电路，并采用大功率MOS对管IRF630和IRF9630作为功率输出级。其中功率对管采用运算放大器NE5534推动。整个电路既充分利用了运放NE5532P、NE5534的低噪声、高稳定的特点，又兼顾了MOSFET功率管具有激励功率小、输出功率大、偏置简单等特性。带阻滤波器采用有源双T型网络，简捷可靠。通过调试与测量完成了题目的基本部分和发挥部分并有自己的创新。关键词：电压放大、功率放大、带阻滤波器、失真、MOSFET功率对管主要器件：NE5532P、NE5534、大功率MOS对管、单片机、ADC0809、74LS164Abstract: This low frequency power amplifier is divided into four parts: pre- amplifierpower amplifier, control unit and diplay uint, bandblock filter circuit. When the effective value of the input sine signal voltage is 5mV,it can make the output power on 8 load equal to or more than 5W through the low frequency power amplifier ,without any obvious distortion. Meanwhile , it can lower the input signal amplitude. The pass band of the lower frequency amplifier is 20-20KHZ(expandable 10-50KHZ), with the distortion less than 1%.The input resistance is 600 ,and the effective value of the output noise voltage EMBED Equation.3 is equal to or less than 5mV.Key words: voltage amplification technology, power amplification technology, MOSFET power transistor, band elimination filter, distortionMain devices: NE5532, NE5534, MOS pair-transistor, ADC0809,74LS164一、任务设计并制作一个低频功率放大器，要求末级功放管采用分立的大功率MOS晶体管。二、 要求1、 基本要求（1） 当输入正弦信号电压有效值为5mV时，在8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20Hz20KHz。（3） 输入电阻为600。（4） 输出噪声电压有效值 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（正弦信号输出时）、直流电源的供给功率和整机效率的功能，测量精度优于5%。2、 发挥部分（1） 低频功率放大器通频带扩展为10Hz50KHz。（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20Hz20KHz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4060Hz。在50 Hz频率点输出功率衰减6dB。（5） 其他。三、方案论证比较 常见的低频功放电路连接形式上主要有OCL、OTL、BTL等，而且还有各种工作方式（甲类、乙类、甲乙类、S类等），可供的选择有很多。1、 方案一 音频功率放大器有一大批优质功放集成块、后模块可供选择，典型的例如：TDA1521、TDA1514、UPC1225H，功放厚模块STK4044XL。但这些优质功放专用集成块、厚模块在市场中不易见到。2、 方案二典型的OTL电路由于输出端采用大电解C2耦合到负载，而系统负载只有8，其等效值较小，所以对宽频带信号的无失真输出不利，尤其是对低频信号的衰减较大。3、 方案三电路原理框图如图1所示。本电路前置放大级采用运放NE5532P两级放大，主要承担电压放大任务，功率推动级选择NE5534，由于其在噪声、转换速率、增益带宽积等方面优异的指标，而且具有一定的输出电流，做功率推动级很合适。功率输出级采用大功率MOSFET对管，电路简单方便。综上所述，方案三电路比较简洁，调整方便，可兼顾多方面的指标要求，所以选择此方案。下面图1是低频功率放大器系统的结构框图，包括前置电压放大电路、功率放大电路、显示控制电路、带阻滤波器。图1 低频功率放大器系统结构框图四、 主要电路设计与计算1、 前置放大级模块设计前置放大级主要完成小信号的电压放大任务，其失真和噪声对系统的影响最大，是应该优先考虑的指标。将电压有效值Von5mV输入信号不失真的放大到功率放大级所需要的输入信号。因此，需要解决的问题是本级600倍的电压放大倍数和带宽10Hz50KHz的矛盾。对于这个问题，可以采用两级放大器来解决,因为放大器的增益带宽积是一个常数,第二级的增益减小,带宽就可以提高。根据以上思路，设计的前置放大级电路如图1所示。其中，NE5532P是一个双运放集成运算放大器，可以用来构成两级放大电路。其主要性能参数如下：增益带宽积10MHz；转换速率为9V/ns；共模抑制比为100。设前置放大器的增益为33dB对于有效值为5mV的输入信号的输出信号的峰-峰值(为了便于比较，本论文全文统一信号幅度的表达均为峰-峰值)为7V，选择电源电压为15V。第二级放大器的输入信号的大小由控制电位器进行控制，其增益为30dB。两级放大器的输出幅度均可通过电位器调整至适当大小，最大增益可达63dB。前置放大级主要完成小信号的电压放大任务，其失真度和噪声对系统的影响最大，是最应该优先考虑的指标。考虑到输入信号的变化范围，用两个电位器做分压器来改变整个系统的增益。使前级放大电路的最后输出信号的峰-峰值为78V，作为后级功放电路的输入信号。为了稳定功放级的工作点，前置级与功放级之间采用钽电容耦合。2、 功率放大模块设计功率放大主要是对信号的电压和电流进行放大，功率放大电路可直接选用集成放大器，也可选用分立元件来组成，但由于集成功率放大级的调节往往达不到目的，故选用由分离元件晶体管组成的功率放大电路。本设计的技术要求：在额定功率下，输出的正弦波信号的非线性失真系数小于1%，所以末级功率放大电路工作在甲乙类比较好，因为工作在甲乙类状态下，不仅工作效率较甲类功放高，而且非线性失真系数小。如果工作在乙类状态，虽然效率高容易产生交越失真，达不到非线性失真系数1%，电路如图2所示。图2 低频功率放大器电路图3、 功率测量与数据采集模块设计本级主要是将功放输出的交流信号经过有效值测量电路转换为直流电压，此电压值即为功放输出信号的有效值。再将有效值信号经过ADC0809完成模数转换，再通过单片机计算输出功率、整机功率及功放电路效率，最后通过164显示模块，将数据显示出来。本模块电路图如图3所示。图3功率测量与数据采集模块原理图4、 参数显示模块本系统单片机通过AD芯片采集经过转换的直流电压，经过计算求出功率及效率值，并在数码管显示，图4是单片机控制、显示程序设计流程图。图4 显示模块程序设计流程图小结：整体电路通过调整电位器，使MOSFET对管IRF630和IRF9630静态电流在1520mA，即为正常工作状态。五、测试环境元器件选择及测试仪器如下。测试仪器:YB3040 DDS信号发生器、DSS022M示波器、YB1733A、WD990A电源元器件:运放芯片NE5532P、NE5534，AT89S52、AD0809、50k、100k的电位器、MOS管IRF530（N）、IRF9530（P）、AD637、74LS164六、测试结果（1） 当输入正弦信号电压有效值为5mV时，在8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20Hz20KHz。测试结果如表1所示。表1 通频带测试结果f/(Hz)102010K25K50KVpp18.2V13.2V18 .2V19V15.3V以上测试数据表明：输入带宽为10Hz50kHz；输出信号功率5W。（3） 输入电阻为600。（4） 输出噪声电压有效值 5mV。（5） 输出功率。输出功率=（19/2）（）2/8=5.6W（6） 具有测量并显示低频功率放大器输出功率和整机效率效率=5.6/（18*0.25*4/）=78%发挥部分本系统经测试，可达到以下指标：（7） 低频功率放大器通频带扩展为10Hz50KHz。（8） 在通频带内低频功率放大器失真度为1%。 （9） 在满足输出功率5W、通频带