低频功率放大器--电子设计竞赛g题

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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)=9W2..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×

7、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

8、)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改为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