09电赛：低频功率放大器

1、低频功率放大器摘要：本系统采用MSP430系列单片机通过对真有效值转换电路输入的数据计算显示实用功率、整机功率、整机效率，NE5532构成前置放大与电压放大电路获得所需的增益，带阻滤波电路实现50Hz频率点的工频干扰，大功率MOSFET管IRF630与IRF9630组成的低功放电路。各模块紧密联系，达到了题目要求。通频带实现10Hz-50kHz，输入信号幅度降低到3.6mV，输出功率大于5W。单片机的显示精度很高。一方案论证（一）总体方案根据题目要求，我们设计有五个基本电路：1.弱信号前置放大电路2.带阻滤波电路3.功率放大电路4.直流稳压电源电路5.显示电路。其组成框图如下系统框图：Vo输入

2、信号前置放大带阻滤波电压放大功率放大真有效值转换430单片机键盘显示电源功率取样低噪声处理负载功率驱动 （二）方案论证1.弱信号前置放大电路方案一：采用分立元件设计困难,调试繁琐,可是却可以经过计算得到最合适的输入输出阻抗、放大倍数等参数,电阻电容可根据需要更换,在此时看来较集成电路灵活。方案二：采用集成芯片AD603程控放大，易实现步进，能放大更小的信号。由AD603的基本增益公式可以看出，以单位为dB 为单位的对数增益和电压之间是线性关系。单片机只要进行简单的线性计算就可以控制对数增益。增益步进也可以很准确地实现。但由于时间紧迫，未能采用此方案。方案三：采用集成运放NE5532多级放大，同

3、众多的运放相比，它具有高精度、低噪声、高速、高阻抗、频带宽等优良性能，具体指标参数为：转换速率9 V/s ，增益带宽积10 MHz，直流增益为10倍，最高工作电压为 ± 20V，这种运放的高速转换性能可大大改善电路的瞬态性能，较宽的宽带能保证信号在低、中、高频段均能不失真地输出，使电路的整体指标大大提高。综上考虑：方案三为最优选择。2.功率放大电路方案一：无输出耦合电容（OCL）的分立元件低功放。分立元件低功放可分为输入级、功率激励级和OCL输出级三部分组成。为保证低频响应电路中采用直接耦合，同时电路中采用互补复合管推挽输出电路，这对提高线性、降低波形失真都有作用。电路中还取消了自举

4、电容，以保证电路的稳定和瞬态响应。方案二：MOSFET低功放电路。MOSFET功率管具有激励功率小，输出功率大，输出漏极电流具有负温度系数，安全可靠无需加保护措施，而且还有工作频率高、偏置简单等优点。因此用MOSFET功率管设计功放电路既简单又方便。方案三：LM1875构成的集成功率放大电路。集成功放电路成熟，低频性能好，内部设计具有复合保护电路，可以增加其工作的可靠性，尤其集成厚膜器件参数 稳定，无须调整，信噪比较小，而且电路布局合理，外围电路简单，保护功能齐全，还可外加散热片解决散热问题。根据题目要求及比较：方案二为最优选择。二理论分析与设计1.前置信号放大电路前置放大级主要完成小信号电压

5、放大的任务，其失真度和噪声对系统的影响是优先考虑的指标。对于前置放大级的设计，采用集成双运放NE5532。由于第一级前置级增益为：A U1 = ( R2/ R1) = (150 k/ 10 k) =1524 dB ；第二级前置级增益为：A U2 = ( R5/ R4) = (100 k/ 10 k) =1020 dB。考虑到输入信号的变化范围很大，在两级间串一个滑动变阻器来改变整个系统的增益，同时也起到对信号的衰减作用。2.带阻滤波电路带阻滤波电路是用来抑制或衰减某一频段的信号，而让该频段以外的所有信号通过。题目要求在50Hz频率点输出功率衰减 6dB 。此处采用双T网络的压控电压源构成的二阶

6、带阻滤波电路。滤波电路的参数为：3.VMOS管高效率功率放大电路采取甲乙类VMOS管高效率功率放大电路，集成运放NE5532是一款低噪声优质运放。我们最终选择NE5532和大功率MOSFET管IRF630和IRF9630组成的低功放电路。NE5532担任电压驱动激励级，大功率MOSFET管担任OCL功率放大。调整电位器使两管的静态电流为15mA20Ma左右，即为正常工作状态。我们设计的功率放大电路是一个对称的电路，首先测静态工作点，使功率管的漏极电流在1520mA 范围内，即为正常的工作状态，这时我们才开始加交流信号，进行功率放大电路的调试。关于调试静态工作点，我们反复思考调换电阻 R6，R7

7、，R10，R11，最终使负载（8的水泥电阻）的端电压几乎为零。其中部分静态工作点如下：Ugsn=4.090V,Ugsp=-3.916V,Id=17.20mA使两管均处于微导通状态。15V稳压管，为的是让输出波形在不失真的前提下尽可能大，以便提高大功率。题目要求在Rl为8欧姆电阻负载条件下输出功率 5W，所以可以算出负载上输出电压的峰值：Vom = = ×5×8) 9V考虑一定功率的管压降，再考虑到电路，我们选择供电电压为15V。4.直流稳压电源电路 本电路输出电压的动态范围大于 ± 9 V，所以放大器供电电源必须是 ± 15V。用普通集成三端稳压电路直接

8、构成稳压电源是难以达到题目提出的输出电压的有效值“ 5mV”的噪声要求。需要在集成三端稳压电路外增加放大环节，才能进一步抑制噪声。三软件设计 程序全部使用C语言编写,可实现同时/分时实用功率、整机功率、整机效率同时/分时显示，能够消隐，可以实现低功耗。流程图：初始化开始ADC12单片机内部计算整机效率A1采集电源负载电路电压测量电路电压转换成电流，计算电源供给功率P=UIA0采集输出电压计算功率显示显示显示结束四测试方案与测试结果1.测量仪器20MHz双踪示波器、带宽为2MHz的毫伏表、数字万用表、直流稳压电源2.调试方法与数据（1）输出功率Po测试用示波器测在10欧电阻负载，输入端短路时示波

9、器波形，测得其峰-峰值电压 0.5Vp-p，则 P = (0.493/2)/10 = 4.4 mW 。 (2) 带宽BW测试信号输入频率6102010k25k56k功率输出幅值5.76.16.26.26.45.9由表可知, 输人中频幅值为6.2, 则fL和fH对应的幅值为6.2×0.707=4.4, 所测频率对应的幅值均在fL和fH之上.所以带宽>10Hz50kHz（3）交流声功率测试交流声功率:输入端短路时,用晶体管毫伏计测输出端交流电压有效值为4.78 mV ,则P = (4.78 ×10 - 3 ) 2/ 10 = 22.8×10 - 6 W =22.

10、8W.（4）整机效率测试 功率放大器的输出功率6.78W与整机的直流电源供给功率11.76W之比：6.78/11.76 = 57.7%3.主要技术指标分析1.MOSFET管功率放大电路，调节电阻值的匹配，能达到更大的功率。2.在50Hz频率点输出功率衰减 > 6 dB ，通过改变滑动变阻器的阻值，是输出功率衰减更大3.单片机显示部分能同时/分时显示实用功率、整机功率、整机效率。能够进行消隐，实现低功耗。3结束语：整个系统既存在大信号（功放级），也存在小信号（前置级），所以抗干扰也要引起足够的重视。因为如果功放级的大电流流过公共地线，会产生一个压降。这样就会对前置级产生干抗。因此要采取单点

11、接地的抗干扰措施，即前置级单独用一个地，功放级单独用一个地，最后两地单点接到变压器的公共地上。从实际的制作结果来看，各方面的指标都能够达到要求，并有不同程度的提高，充分证明了该方案的正确性和可行性。由于使用单片机编程实现，结果精度较高，易于控制。因比赛时间有限，该系统还有好多值得改进的地方。附件：其他电路原理图 负载取样整机功率测试电路 C主程序：for(i=0;i<256;i+) ADC12CTL0 |= ADC12SC; while (ADC12IFG & BIT0)=0); y=y+ADC12MEM0; y =y >> 8 ; y=y*2500/4095; for(j=0;j&