低频功率放大器--电子设计竞赛G题[1]bpkg.docx

低频功率率放大器器（G题题）摘要：本本设计主主要由低低噪声放放大电路路、带阻阻滤波电电路、信信号放大大电路、功功率放大大电路、峰峰值检波波、单片片机控制制、ADD转换、LLCD显显示、稳稳压电源源等组成成。低噪噪声放大大电路选选取甚低低噪声宽宽带高精精度运算算放大器器OP337，并并采用并并联负反反馈，具具有良好好的抗共共模干扰扰能力。功功率放大大电路采采用双MMOS晶晶体管的的甲乙类类推挽放放大电路路。带阻阻滤波器器在500Hz频频率点输输出功率率衰减6dBB，阻带带频率范范围为443557Hzz，有效效滤除了了工频噪噪声的干干扰。设设计的低低频功率率放大器器的通带带为6HHz1140KKHz，很很好地完完成了通通频带的的扩展。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：功率放放大器；OP337；MMOS晶晶体管；输出功功率基本要求求（1）当当输入正正弦信号号电压有有效值为为5mVV时，在在8电阻负负载（一一端接地地）上，输输出功率率5W，输输出波形形无明显显失真。（2）通通频带为为20HHz220kHHz。（3）输输入电阻阻为6000。（4）输输出噪声声电压有有效值VV0N5mVV。（5）尽尽可能提提高功率率放大器器的整机机效率。（6）具具有测量量并显示示低频功功率放大大器输出出功率(正弦信信号输入入时)、直直流电源源的供给给功率和和整机效效率的功功能，测测量精度度优于55%。发挥部分分（1）低低频功率率放大器器通频带带扩展为为10HHz550kHHz。（2）在在通频带带内低频频功率放放大器失失真度小小于1%。（3）在在满足输输出功率率5W、通通频带为为20HHz220kHHz的前前提下,尽可能能降低输输入信号号幅度。（4）设设计一个个带阻滤滤波器，阻阻带频率率范围为为4060HHz。在在50HHz频率率点输出出功率衰衰减6dBB。（5）其其他。一、方案案论证比比较1.1 低噪噪声问题题设计要求求输出噪噪声电压压有效值值低于55mv，因因此前级级放大电电路要选选用OPP37型型低噪声声运放。并并采用同同相无对地电电阻的反反相放大大电路，使使电路中中的噪声声源电阻的的数量达达到最少少，以最最大限度度地获得得低噪声声。1.2 灵敏敏度问题题由于信号号至少需需要被放放大一千千多倍。考考虑到运运算放大大器的放放大倍数数和通频频带的关关系，所所以放大大电路采采用两级级放大。(整机增益为10020倍)1.3 高保保真问题题功率放大大电路采采用了具具有负反反馈功能能的甲乙乙类推挽挽放大电电路，有有效克服服了普通通甲乙类类推挽放放大电路路的交越越失真问问题。1.4 提高高效率的的问题（亮点）运算放大大器的电电源电压压高于功功率输出出级的电电源电压压，最大大限度地地提高了了电源电电压的利利用率，也也就是功功率放大大器的效效率。1.5 电源源方案（创创新点）将稳压前前的电压压作为运运算放大大器的电电源，稳稳压后的的12VV提供给给功率输输出级，这这样就在在获得两两套对称称电源输输出的同同时，最最大限度度地简化化了电源源结构。1.6 陷波波器功能能的革新新（创新新点）对陷波电电路进行行了革新新，使经经典陷波波器尖锐锐的幅频频特性曲曲线变得得圆滑一一些，使使其更加加适合消消除机械械发电机机产生的的不够精精确和稳稳定的550Hzz工频干干扰。1.7 参数数监控问问题低频功率率放大器器输出功功率、直直流电源源的供给给功率和和整机效效率的测测量与显显示电路路，以单单片机为为控制芯芯片，信信号经AAD转换换后送给给LCDD显示，不不仅成本本低，并并且很好好的完成成了要求求。1.8 整机机系统方方框图我们设计计的低频频功率放放大器主主要由前前级低噪噪声放大大电路、中中级信号号放大电电路、功功率放大大电路、带带阻滤波波器、电电源电路路、峰值值检波电电路、AAD转换换电路、单单片机控控制电路路、LCCD显示示电路等等组成，系系统框图图如图11所示。图1 系系统框图图二、主要要电路设设计与计计算2.1 输出出功率及及电源电电压设计要求求在8电阻负负载上输输出功率率5W，考考虑留出出一定的的裕量,故设计计输出功功率输出出级的电电源电压压为122V，输输出功率率输出级级的输出出电压峰峰值则接近112V,，最大大输出功功率则接近99W，满满足题目目要求。P = U×U / 2RR = 12××12 / (2×8) = 99W2.22 增增益分配配确定采用用两级放放大器，一一级跟随随器兼增增益调节节。前置置放大器器的增益益Av1=1667倍，功功率放大大器的增增益Avv2=600倍，跟跟随器兼兼增益调调节的增增益Avv3=01倍。整机增益益为Avv=Av1×Av2×Av3=1667×60×(011)=001000200倍。2.3 低噪噪声前置置放大电电路低噪声前前置放大大电路是是由运放放构成的的反相放放大器，如如图2所所示。运运放选取取甚低噪噪声宽带带高精度度运算放放大器OOP377，其失失调电压压低于225uVV，从而而有效降降低外界界噪声干干扰。采采用反相相放大器器，使电电路所用用元器件件的个数数降到最最少，电电路简单单可靠。图2 前前级低噪噪声放大大电路2.4阻阻带滤波波器实际电网网产生的的50HHz工频频干扰是是机械发发电机产产生的，其其频率是是不够精精确和稳稳定的，会在49.550.5Hz范围内波动。常规陷波波器对陷陷波频率率衰减的的幅频特特性曲线线很尖锐锐，不利利于衰减减50HHZ附近近的频率率，如图图3(aa)中曲曲线A所所示。针针对这种种缺陷，我我们调整整了陷波波器的参参数(将将R3由典型型值的116.55K改为222K)，使使陷波器器的幅频频特性曲曲线改变变成了如如图3(a)中中B所示示的形状状，使其其对500HZ附附近的频频率的衰衰减特性性大大改改善。图3(aa) 陷波器器幅频特特性曲线线针对设计计要求的的阻带频频率范围围为400600Hz，且且在500Hz频频率点输输出功率率衰减6dBB，我们们设计了了Q值可可调、衰衰减幅度度可调的的功能，如如图3(b)所所示。经经调试，电电路的参参数完全全达到了了理论设设计要求求。 图3(bb) 阻阻带滤波波器2.5 中间间信号跟跟随电路路及增益益调节方方案、中间间级信号号跟随电电路为由由运放TTL0884组成成的，用用于实现现陷波器器与增益益调节电电位器之之间的阻阻抗转换换。、经测测试，精精密线绕绕电位器器和通用用碳膜电电位器的的幅频特特性远不不能满足足题目要要求，而而微型微微调电位位器的幅幅频特性性可在00Hz2400KHzz范围保保持平坦坦。所以以决定采采用微型型微调电电位器实实现增益益调节功功能，这这样可以以简单地地回避在在电路中中采用繁繁琐的频频率补偿偿方案。2.6 功率率放大电电路功率放大大电路采采用了具具有负反反馈功能能的甲乙乙类推挽挽放大电电路，末末级功放放管采用用分立的的大功率率互补对对称的场场效应晶晶体管22RF6630、22RF996300，如图图4所示示。一般般电路的的反馈采采样点选选在运放放的输出出端(图图4中aa点)，而而本设计计中选取取在功率率输出端端(图44中b点点)，利利用反向向比例放放大器的的强负反反馈功能能来纠正正功率输输出及的的交越失失真。末级功率率放大电电路工作作在甲乙乙类状态态，静态态工作电电流为225mAA。图4 功功率放大大电路2.7 提高高功率放放大器效效率的措措施、大功功率MOOS场效效应管具具有很低低的饱和和压降，如如2RFF6300场效应应管在大大电流(ID=2A)时时的饱和和压降UUD=0.1V。所所以用MMOS场场效应管管组成的的对称互互补型功功率输出出电路，输输出电压压可以很很接近电电源电压压，也就就是可以以很接近近70%的理想想输出效效率，如如下图cc中场效效应管组组成的对对称互补补型型功功率输出出级的输输出电压压与电源源电压之之间的关关系。图5提高高功率放放大器效效率的原原理、但作作为推动动级的运运算放大大器TLL0844的输出出电压明明显不能能达到轨轨到轨的的水平(见图中中运放的的最大输输出电压压)，而而且由于于功率输输出级存存在内阻阻，使功功率输出出级的输输出电压压又明显显小于推推动级运运放的输输出电压压(见图图中a、aa和c、cc之间的的关系)，从而而使功率率输出级级的输出出电压明明显不能能接近电电源电压压，功率率输出级级的效率率因此不不能得到到充分发发挥。若强制增增大推动动级运放放的输出出电压，将将会出现现失真(见图中中b、bb之间的的关系)。、我们们提高功功率放大大器效率率的措施施是：采用推动动级运算算放大器器的电源源电压高高于功率率输出级级的电源源电压的的方法，创创造运算算放大器器TL0084的的输出电电压可以以显著大大于功率率输出级级最大输输出电压压的条件件。如上上图所示示推动级级运放的的输出电电压与电电源电压压之间的的关系，从从而最大大限度地地提高了了功率输输出级对对电源电电压的利利用率。2.7 减小小失真的的措施推动级运运算放大大器因纠纠正功率率输出电电路非线线性失真真的需要要和功率率输出电电路自身身输出阻阻抗的原原因，推推动级比比例运算算放大器器在正常常放大时时，输出出电压会会明显大大于功率率输出的的电压；从而使使其阻碍碍功率输输出效率率的作用用更加显显著，如如图A所所示：图5减小小失真的的原理2.8 峰值值检波电电路峰值检波波器为理理想检波波电路，该该电路可可以消除除检波二二极管的的正向导导通电压压所引起起的误差差。如图图5所示示，测得得的电压压峰值送送给单片片机处理理。图6 峰值检检波电路路2.9 稳压压电源电电路本设计的的供电系系统采用用了自行行设计的的直流稳稳压电源源，该稳稳压电源源以最简简单的结结构为本本设计提提供了33套电源源。原理理框图如如图6所所示。图7 直流稳稳压电源源1的整整机电流流取样电电阻设在在78112的前前面，是是为了不不增加778122的低输输出阻抗抗。由于运算算放大器器的高共共模电源源电压其其抑制比比，所以以，为运运算放大大器提供供的电源源无需稳稳压。2.100防自激激的措施施由于本音音频功放放的电压压放大倍倍数很大大(Avv最大超超过1004倍)，所所以电路路很容易易自激。我我们采取取两套措措施来解解决自激激问题：1、对前前置放大大器的电电源进行行滤波，以以减小前前后级放放大器之之间的交交流耦合合，如图图所示RR1、R2、C1、C2、组成成的滤波波电路。由由于前置置放大器器不会有有大的输输出电压压，所以以，该滤滤波电路路虽然降降低了前前置放大大器的电电源电压压，却不不会影响响整机的的输出电电压动态态范围。2、让负负载的大大电流完完全不通通过信号号回路，见见图7中中虚线框框内的地地线结构构。图8防自自激的措措施2.111 双双减法器器设计由于双电电源的正正负电源源输出的的电流不不一定相相等，所所以我们们设计了了双减法法器（仅仅仅多了了三个电电阻），能能够获得得双电源源的正负负电源输输出电流流的平均均值，使使输出的的数据更更加稳定定，准确确。图9双减减法器2.122显示电电路设计计显示电路路是以单单片机SSTC889C552RCC为核心心，由多多通道AAD转换换芯片TTLC115433采样电电压信号号，最后后计算结结果送LLCD1128664显示示，如图图7所示示。其中中TLCC15443的通通道1采采集8电阻负负载上输输出的峰峰值电压压，通道道2采集集稳压电电源在标标准电阻阻Rc=1上U，然然后送给给单片机机做处理理，其中中输出功功率，供供给功率率，最后后将数据据送LCCD显示示。图10显显示电路路原理图图程序由主主程序和和中断程程序组成成，如图图8所示示。在主程序序中，首首先对LLCD、定定时中断断T0等等进行初始始化，给给任务变变量赋初初值，然然后进行行AD转换并送送LCDD显示，同同时等待待中断。进进入中断断后，任务全局局变量，即即 I 和J同同时减11，由于于变量赋赋了初值，当当I减至至0时，执执行任务务1，即即AD采采样及数据处理理，然后后再赋值值给I；当J减减至0时时，执行行任务2，即即数据更更新显示示，然后后再赋值值给J，等等待下一次的的中断即即变量减减1，直直至为00，又执执行各任务。图11程程序流程程图三、测试试方案与与测试结结果3.1输输出功率率的测量量所用仪器器：TFFG10005 DDSS函数信信号发生生器，RRIGOOL DDS50022MM型双通通道数字字存储示示波器。测量方法法：用函函数信号号发生器器提供电电压有效效值为55mV的的正弦输输入信号号，调整整其频率率在200Hz20kkHz之之间变化化，用示示波器测测量8电阻负负载上的的电压信信号，可可以看到到输出波波形无明明显失真真。记录录几个随随机频率率点处负负载两端端的电压压有效值值，利用用公式即即可求出出输出功功率。测量结果果：如表表1所示示。表1 输输出功率率的测量量结果f(Hzz)20Hzz200HHz2K20K(V)6.3666.3666.3666.366(W)55553.2通通频带的的测量所用仪器器: TTFG110055 DDDS函数数信号发发生器，RRIGOOL DDS50022MM型双通通道数字字存储示示波器。测量方法法：方法法同上，需需要分别别测量220Hzz和200KHzz附近处处的电压压有效值值，如果果这两点点处的电电压幅值值大于，而而小于220Hzz和大于于20KKHz的的频率点点的电压压值小于于。测量结果果：如表表2所示示。表2 通通频带的的测量结结果U有效7.077Vf(Hzz)2611205K10K15K20K50K100KK140KK(V)457.0777.0777.0777.0777.0777.0776.85.853.3输输入阻抗抗的测量量所用仪器器:万用用表，TTFG110055 DDDS函数数信号发发生器，RRIGOOL DDS50022MM型双通通道数字字存储示示波器。测量方法法：不接接负载，断断开电源源，在功功率放大大电路输输入端之之前串接接一个6600欧欧的电阻阻R，在在此外接接电阻之之前输入入电压有有效值为为5mVV正弦信信号，用用示波器器测量外外接电阻阻端的信信号电压压有效值值和原输输入端的的信号电电压有效效值。测量结果果：测得得5mVV，2.5mVV，根据据可求得得60003.4输输出噪声声电压的的测量所用仪器器: 带带宽为22MHZZ的毫伏伏表测量方法法：将输输入端接接地，用用交流毫毫伏表测测量负载载上的电电压有效效值。测量结果果：测得得5mVV。3.5测测量、显显示功能能的测试试所用仪器器: DDH17718DD_2双双路跟踪踪稳压稳稳流电源源，TFFG10005 DDSS函数信信号发生生器，RRIGOOL DDS50022MM型双通通道数字字存储示示波器，万万用表。 测量方法法：把万万用表串串联在直直流信号号源与功功率放大大电路之之间，利利用其电电流档测测直流输输入电流流，直流流电压可可通过信信号源直直接读出出；用示示波器测测量8电阻负负载上的的电压有有效值，利利用公式式得直流流电源的的供给功功率；利利用公式式可得输输出功率率；利用用公式可可得整机机效率；测量结结果可从从LCDD上直接接读取。测量结果果：122V,6613mmA，6.366V, =68%。3.6 失真真度测量量所用仪器器: TTFG110055 DDDS函数数信号发发生器，RRIGOOL DDS50022MM型双通通道数字字存储示示波器。测量方法法：测量量8电阻负负载上的的电压信信号，用用基波剔剔除法，即即测量信信号中的的基波和和各次谐谐波的电电压，获获得基波波和各次次谐波的的电压，从从而计算算出失真真度。5总结该系统采采用直流流供电，低低频交流流信号输输入、由由低频功功率放大大模块、减减法器功功能电路路模块、峰峰值检测测电路模模块、TTLC115433AD采采样转换换模块，单单片机控控制模块块、显示示LCDD128864模模块组成成、带阻阻滤波器器来增强强系统的的抗干扰扰性能。系系统具有有低频功功率放大大功能，测测量并显显示直流流电源功功率、交交流输出出功率、效效率功能能、抗干干扰能力力强等特特点。参考文献献1 谭浩强强著. 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