电子设计竞赛超级实用报告——低频功率放大器.doc

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R3由典型值的16.5KΩ改