电子设计竞赛超级实用报告——低频功率放大器

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：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8Ω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20Hz～20kHz。

（3）输入电阻为600Ω。

（4）输出噪声电压有效值V0N≤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）低频功率放大器通频带扩展为10Hz～50kHz。

（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20Hz～20kHz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40～60Hz。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) = 9W

2..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A

v1

=167倍，功率放

大器的增益A

v2=60倍，跟随器兼增益调节的增益A

v3

=0~1倍。

整机增益为A

v =A

v1

×A

v2

×A

v3

=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。

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R

由典型值的16.5KΩ改为

3

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

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

=2A)时

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(I

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