低频功率放大器(宜昌讲解).doc

低频功率放大器（低频功率放大器（G G 题题））摘要：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：关键词：功率放大器；OP37；MOS 晶体管；输出功率一、方案论证比较一、方案论证比较1.1 低噪声问题低噪声问题 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 1.31.3 高保真问题高保真问题 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 1.41.4 提高效率的问题（创新点）提高效率的问题（创新点） 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 1.51.5 电源方案（创新点）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 1.61.6 陷波器功能的革新（创新点）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 所示低噪声放大输入信号阻带滤波器信号放大功率放大峰值检波负载稳压电源AD转换单片机LCD显示图 1 系统框图二、主要电路设计与计算二、主要电路设计与计算2.1 输出功率及电源电压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 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，电路简单可靠电压放大倍数3 '2 v1 1100 10A167600R R 图 2 前级低噪声放大电路 2.4 阻带滤波器阻带滤波器 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 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。

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 减小失真的措施减小失真的措施 ③、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： ④、我们提高功率放大器效率的措施是： 采用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 B 所示 TL084 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2.8 峰值检波电路峰值检波电路 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 5 峰值检波电路 2.9 稳压电源电路稳压电源电路 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 6 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 72.11 双减法器设计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，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2.12 显示电路设计显示电路设计 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，通道 2 采集稳压电源在标准电阻 Rc=1Ω 上 U，然后送给单omU片机做处理，其中输出功率，供给功率，最后将数据送 LCD 显示22om oUPRi cUPUR供图 7 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 8 程序流程图三、测试方案与测试结果三、测试方案与测试结果3.1 输出功率的测量输出功率的测量 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 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，利用公式即可求出U有效2oUPR有效输出功率 测量结果：如表 1 所示 表 1 输出功率的测量结果f(Hz)20Hz200Hz2K20K(V)U有效6.366.366.366.36(W)oP55553.2 通频带的测量通频带的测量 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，而小于 20Hz 和大于 20KHz 的频率点的电压值小于0.7072UU有效 有效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21 7.07Vf(Hz)2 6 11205K10K15K20K50K100K140K(V)U有。