电子设计竞赛超级实用报告——低频功率放大器

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 6Hz140KHz，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

2、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 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 V0N5mV。（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

3、）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 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

4、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

5、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 8电阻负载上输出功率 5W，考虑留出一定的

6、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 = UU / 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=01 倍。整机增益为 Av=Av1Av2 Av3=16760（01）=010020 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

7、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 16.5K改为 22K) ，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

8、(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、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。、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 0Hz240KHz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

9、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、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 (I D=2A)时的饱和压降 UD=0.1V。

10、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、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

11、压，将会出现失真 （见图中 b、b之间的关系 ）。 、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

12、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1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

13、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 显示电路设计出的峰值电压其中输出功率显示电路

14、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8电阻负载上输U om ，通道 2采集稳压电源在标准电阻 Rc=1上 U，然后送给单片机做处理，Po Uom2Pi UR U供o 2R ，供给功率Rc，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

15、 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： TFG1005 DDS函数信号发生器， RIGOL DS5022M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 20Hz20kHz之间变化， 用示波器测量 8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PoU

16、 有效R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)6.366.366.366.36Po(W)55553.2 通频带的测量 所用仪器 : TFG1005 DDS函数信号发生器， RIGOL DS5022M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U 有效0.707U 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U有效7.07Vf(Hz)26112

17、05K10K15K20K50K100K140KU 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， TFG1005 DDS函数信号发生器， RIGOL DS5022M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 Ui有效 。US有效 Ui 有效测量结果：测得 US有效 5mV， Ui有效 2.5mV，根据可求得 Ri 600i R

18、 RiRii3.4 输出噪声电压的测量UON 。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测量结果：测得 UON 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， TFG1005 DDS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 I i ，直流电压 Ui 可通过信号源直接读出；用示波器测量8电阻负载上的电压有效值P U 有效U有效 ，利用公式 P Ui Ii 得直流电源的供给功率；利用公式 PoR 可得输出功率；利用Poo 100%公式Pi可得整机效率；测量结果可从 LCD上直接读取。测量结果： Ui 12V,I i 613mA，PoU o 100%U 有效 6.36V, Pi =68%。3.6 失真度测量所用仪器 : TFG1005 DDS函数信号发生器， RIGOL DS5022M型双通道数字存储示波器。 测量方法：测量 8电阻负载上的电压信号，用基波剔除法，即测量信号中的基波和各 次谐波的电压，获得基波和各次谐波的电压，从而计算出失真度。5 总结该系统采