低频功率放大器设计报告

低频功率放大器（G题）摘要：本设计利用OP37芯片组成前置放大电路将输入正弦信号放大，通过由分立MOS管组成的推挽互补放大电路，增大其驱动能力，接入8负载。功率放大器输出功率、电源供给功率通过AT89S52单片机中的A/D转换器取样计算，从而得出整机效率，并显示在数码管上。本系统多项指标达到题目要求，并部分达到题目发挥部分功能要求。本系统具有输出功率大，计算精度高，散热效果良好等优点。关键词：信号放大，推挽互补，功率计算一 总体方案设计 本系统通过前置放大电路和推挽互补放大电路将输入信号的功率进行放大，并设计电源供给功率测量电路和输出功率测量电路，测量的结果通过AT89S52单片机进行运算，从而得出整机功率，将测量结果在数码管上显示出来。因此本系统包括了前置放大电路、功率放大电路、测量电路和单片机最小系统，并且根据题目要求设计了带阻滤波器，其通过开关接入系统。总体框图如图1所示。图1 设计总体框架图 前置放大电路可以放大输入信号的电压值，并且使用电位器调节放大倍数，控制最终实际输出功率的大小。功率放大级将前级的电压值放大2倍，主要实现加大前端的输出信号的驱动能力电流值。测量电路主要实现对输出功率和电源功率的精确测量。功率放大电路共有两套方案可以选择，具体如下：方案一A类功率放大器，这种功放的工作原理是输出器件始终工作在传输特性曲线的线性部分，在输入信号的整个周期内输出器件始终有电流连续流动，这种放大器失真小，但效率非常低，功率损耗大。 方案二B类功率放大器，两只晶体管交替工作，每只晶体管在信号的半个周期内导通，另半个周期内截止。该电路效率较高，但缺点是容易产生交越失真。为了提高整机效率，所以我们选用方案二，同时利用电阻匹配可以克服交越失真。二 电路的设计实现1、输出功率的测量电路 利用A/D转换器直接采集输出信号，由于输出电压太高，无法采集，因此，本设计使用AD637真值转换芯片进行处理，将交流信号转变成直流信号，再利用电阻分压后，由单片机进行计算。具体原理图如图2所示。图2输出功率的测量 由此可以得到经过电位器衰减一半的负载端电压U，单片机利用公式输出得到输出功率，并且可以求得流过负载的电流，则电源电流，可用于电源功率的测量。2、电源供给功率的测量电路 本设计使用AT89S52进行输出功率和电源供给功率以及整机效率的计算，由于单片不能够直接采集具有较大电流值和较大的电压值信号，对此我们利用电阻加在电源两端进行信号采集。具体原理图如图3所示。图3电源供给功率的测量 利用电阻对电源电压进行分压，我们选用两个10K和一个1K的电阻，如图连接。为了精确计算电源电压，我们精确测量了所选的电阻阻值，其分压比为。通过AD620构成差分放大电路将采得的电压U1放大两倍得到U2，接入单片机进行运算，利用测量输出功率中的到的U值，建立公式电源功率。3、前置放大电路的设计题目要求，当输入有效值5mV时，输出功率5w。其负载电阻为8，则输出有效值=6.33V,17.89V。输入有效值=5mV，则14.14mV。所以总放大倍数。由于推挽放大电路前设计有一个放大倍数为2的同相放大器，因此前置放大电路的放大倍数为A=632.45。采用两级反相放大器，将第一级电阻配置成为相对放大倍数较大的电路，为60倍，则第二级电路放大倍数约为10.5倍。原理图如图4所示。图4前置放大电路由于放大倍数较大，如果不采用低噪声的运放，输出噪声将会较大，所以我们使用OP37低噪声、宽频带运放芯片，可以满足本题目的要求。4、功率放大电路的设计功率放大电路实现原理如图5所示。通过计算我们可以得到电阻匹配的阻值，IRF9530和IRF530的典型值为2V，则=18V-2V=16V，R1我们选用6.8K的电阻，则，所以,但接入该阻值电阻时，MOS管工作状态并不理想，因此我们需要调配出一个合理的工作点。经过实验我们最终选用R1=R4=6.8K，R2=R3=1.8K。此时功率放大器回路中电流值较佳，因此此时工作效率较高。经过电阻匹配后，功率放大器的输出波形没有出现交越失真的现象，但波形发生振荡，出现疑似高频寄生波形的干扰信号。经过观察，干扰信号约为1MHZ，则在反馈电阻R6上并联一个300pF的电容之后，输出信号没有明显失真。由于MOS管工作时，它会散发出热，因此本设计在MOS管上加装中等大小的散热片，从而保障了它们的正常工作。图5 B类功率放大器5、带阻滤波器的设计根据题目要求，阻带宽度为40HZ60HZ，通过计算得到R=31.8K,C=0.1uF,为此，我们选用R=50K电位器进行调节，Rf=15K,RF选用20K电位器对放大倍数进行调节。为了使其输出信号的幅度与输入信号的相等，我们使用10K电位器对输出信号电压进行衰减，并加入跟随器。其实现原理图如图6。图6有源带阻滤波器 6、显示电路的设计 本设计使用单片机最小系统，计算处理的结果通过数码显示管表示出来。实现框图如图7所示。图7显示电路三 单片机的程序设计本系统利用单片机进行输出功率的计算和电源的供给功率的计算，并得出整机效率，通过数码显示电路显示计算结果。AT89S52单片机使用测量电路所得到的数据，进行处理，其计算精度优于5，并且开机界面友好，按下按键1数码管会交替显示输出功率和电源功率，通过显示管明暗变化提示显示数据类型的变化。按下按键2，则会交替显示当前整机效率和输出功率，同样会明暗变化提示数据类型的变化。程序流程图如图8所示。由亮到暗显示电源供给功率，再由暗到亮显示输出功率7219显示的初始化显示HELLO调用AD1输出功率函数显示函数按键2是否按下由亮到暗显示整机效率，再由暗到亮显示输出功率调用AD2电源功率函数按键1是否按下开始图8程序流程图四 设计测试结果系统测试使用仪器如表1所示表1 试验所用仪器仪器型号指标数量信号发生器XJ16410.1HZ3MHZ1直流稳压电源XJ-173L3A0V30V2数字万用表MS8040 四位半1双通道示波器XJ432320MHZ1星研仿真系统STAR51PH片内RAM256字节1计算机DELL512M内存1毫伏表DA-162MHZ1失真度测试仪GAD-201G20HZ20KHZ1通带频率测试，输入电压有效值5mV,=14.1mV。记录如表2所示。表2 通带宽度测试输入频率(HZ)10201001K10K20K30K50K输出电压（V）198198198198200200200200输出功率（W）616616616616616616616616失真度（）016011023017018注：失真度仪无法测量20HZ20KHZ范围以外频率的失真度情况通过图表可以看到，通频带达到10HZ50KHZ，并且输出功率大于5W,失真度1%,满足了题目的要求。本系统设计的带阻滤波器，其实际阻带频率为39HZ59HZ，在50HZ时，衰减为10dB，达到了题目的要求。当输入信号峰峰值为12.2mV（有效值为4.31mV）输出功率可以达到5.12W，在通频带为20HZ20KHZ内，波形没有明显失真，满足题目发挥部分要求。 测试结果分析1、 功率的损耗，功率的损耗主要是由MOS管产生的，我们可以选用的MOS管的导通电阻还不够小，可以选用导通电阻更小MOS管进行整机效率的提升。2、 误差的产生，误差主要包括真有效值转换电路的误差，A/D 转换器及软件设计带来的误差。尽管以上电路精度，但每一部分的误差是不可避免的，另外仪器在测量时也会造成误差。五 试验总结 本设计达到了多数题目所要求的指标，但在整机效率、噪声的消除等方面还有改进的空间，如布线的合理性、低导通电阻的MOS管等，都可以改善系统性能。