【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 著整個(gè)系統(tǒng)能否提供良好的音質(zhì)輸出?，F(xiàn)今功率放大器不僅僅是消費(fèi)產(chǎn)品(音響) 中不可缺少的設(shè)備,還廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)中。 然而低頻功率放大器已經(jīng)是一個(gè)技術(shù)相當(dāng)成熟的領(lǐng)域,幾十年來(lái),人們?yōu)橹冻隽瞬恍傅呐?無(wú)論從線路技術(shù)還是元器件方面,乃至思想認(rèn)識(shí)上都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前市場(chǎng)上的集成功放產(chǎn)品價(jià)格已經(jīng)很低并且種類也很多,典型的有LM187TDA152TDA1514。這些優(yōu)質(zhì)功放模塊體積小、性能優(yōu)越、保護(hù)功能齊全、外圍電路簡(jiǎn)單、易制作易調(diào)試。最近，一種應(yīng)用砷化鉀MESFET制成的功率放大器MMIC，在移動(dòng)電話和個(gè)人數(shù)據(jù)終端領(lǐng)域中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，工作頻率達(dá)950MHZ。本文給出一種簡(jiǎn)單實(shí)用、制作成本低廉的實(shí)用低頻功率放大器的設(shè)計(jì)方案,并給出實(shí)際測(cè)試結(jié)果。功率放大可由分立元件組成,也可由集成電路完成。由分立元件組成功率放大器，如果進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)，則在效率和失真方面更優(yōu)于集成的，價(jià)格方面便宜一點(diǎn)，但如果電路選擇和參數(shù)設(shè)置不恰當(dāng)時(shí),元件性能就不能很好的表現(xiàn)出來(lái),制作調(diào)試比較困難。從電路的簡(jiǎn)單性和易調(diào)性，集成電路更好些。本次設(shè)計(jì)功放采用集成電路完成。本實(shí)用低頻功率放大器設(shè)計(jì)有兩部分組成前置放大級(jí)和功率放大級(jí)。前置放大級(jí)主要任務(wù)是完成小信號(hào)電壓放大任務(wù)，同時(shí)要求低噪聲、低溫漂。功率放大級(jí)主要任務(wù)是在允許的失真限度內(nèi),盡可能高效率地向負(fù)載提供足夠大的功率，要求是輸出功率要大、效率要高。通過(guò)詳盡的資料查詢和嚴(yán)密的方案論證后，我們選擇通過(guò)集成運(yùn)放NE553LM187LF357的配套使用來(lái)使本電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、實(shí)用并且達(dá)到高增益、高保真、高效率、低噪聲、寬頻帶、快響應(yīng)的指標(biāo)。第一章功率放大器技術(shù)指標(biāo)概述第一節(jié) 功率放大器參數(shù)功率放大是一種能量轉(zhuǎn)換的電路，在輸入信號(hào)的作用下，晶體管把直流電源的能量，轉(zhuǎn)換成隨輸入信號(hào)變化的輸出功率送給負(fù)載，對(duì)功率放大要求如下：輸出功率要大：要增加放大器的輸出功率，必須使晶體管運(yùn)行在極限的工作區(qū)域附近。效率η要高：放大器的效率η定義為：η=交流輸出功率/直流輸入功率。非線性失真在允許范圍內(nèi)：由于功率放大器在大信號(hào)下工作，所以非線性失真是難免的，問(wèn)題是要把失真控制在允許范圍內(nèi)。 第二節(jié) 功率放大器分類功率放大器按工作狀態(tài)和電路形式可分成以下幾種： 甲類功率放大器：在整個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，存在集電極電流； 乙類功率放大器：只有半個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，存在集電極電流，按電路形式它又可分為： 1)雙端推挽電路(DEPP) 2)單端推挽電路(SEPP) 3)平衡無(wú)變壓器電路(BTL)第三節(jié) 功率放大器在實(shí)際的應(yīng)用在實(shí)際中，為了克服交越失真，推挽式昌體管電路是工作于甲、乙類狀態(tài)的。一。甲類功率放大器 甲類功率放大器，負(fù)載RL通過(guò)阻抗變換器B變成集電極負(fù)載RL=n)(IcM/)=(IcM/)(UcM/)=(1/8)IcMUcM（式1）；工作點(diǎn)Q的集電極電流ICQ和電壓UceQ分別為：ICQ=ICM/2, UceQ=Ec=UCM/2（式2）所以，直流電源的輸入功率：PD=IcQUceQ=(ICM/2)(UCM/2)=1/4IcMUcm（式3）甲類功率放大器的效率為：η=PL/PD=50%（式4）可見(jiàn)：(1)晶體管的最大集射電壓為電源電壓EC的兩倍。(2)晶體管靜態(tài)時(shí)耗功率為輸出功率的兩倍。(3)甲類放大器的效率最高只有50%。二。乙類推挽電路圖由于輸出端使用變壓器，因而晶體管對(duì)地有兩個(gè)輸出端，設(shè)電路完全對(duì)稱，當(dāng)輸入信號(hào)Us為正半波時(shí)，BG1截止。BG2導(dǎo)通，輸出電壓UL為負(fù)半波，因此，兩管輪流導(dǎo)通，一推一挽地工作，故稱為推挽電路。由于兩管輪流地工作，所以把兩管的輸出特性按相反方向疊在一起，兩管的交流負(fù)載線正好連成直線ab,工作點(diǎn)Q處于直線ab的中點(diǎn)。第二章理論分析與設(shè)計(jì)方案選擇第一節(jié) 系統(tǒng)方案選擇低頻功率放大電路主要可以分為兩部分，一是前置放大電路，另外一個(gè)是功率放大輸出電路。其中前級(jí)放大部分基本上都是一樣的，功率放大部分目前有以下三種方案可供選擇：方案一：功率放大部分采用專用的集成MOS芯片功率放大器，采用專用的集成MOS功率放大器可以達(dá)到要求但是它的參數(shù)都是固定的，一旦使用便不可改變各級(jí)的參數(shù)和工作，不夠靈活，成本較高。方案二：采用三極管為核心做功率放大電路，這種功放電路輸出小，效率低，功耗大，很難滿足題目要求。方案三：采用分立的MOS管做功率放大電路，分立元件低頻功率放大器雖快被淘汰，但是由于分立元件低頻功率放大器可對(duì)每級(jí)工作狀態(tài)和性能逐級(jí)調(diào)整有很大靈活性和自由度，輸出波形穩(wěn)定性好，效率高，成本較低。功率放大器實(shí)現(xiàn)方法有幾類，低頻的有甲、乙、甲乙、丁等幾種。甲類效率很低，約20%左右，但是其失真度可以做的非常小，%，效率沒(méi)做評(píng)分要點(diǎn)，只是適當(dāng)考慮，所以可以采用；乙類的只能有半周輸出，失真度太大所以不能采用。丙類肯定不用了，那是高頻功率放大器專用的類型，這里是低頻的（10Hz~50KHz），所以不能采用；丁類的（就是所謂的D類）采用H橋的開關(guān)方式工作，輸入的信號(hào)要進(jìn)行PWM（PWM是脈沖寬度調(diào)制），H橋輸出后是一個(gè)開關(guān)量，要經(jīng)過(guò)LC濾波轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量，再傳送給揚(yáng)聲器。這種方法效率極高，但是電路復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，且效率不做評(píng)分的主要依據(jù)，建議舍棄這種方案。經(jīng)過(guò)綜合權(quán)衡考慮，宜采用方案三比較合適。第二節(jié) 總體設(shè)計(jì)思路該課題有三個(gè)主要部分構(gòu)成，1：功率傳輸部分；2：電壓放大部分（1265倍以上）；3：信號(hào)測(cè)量部分。課題已經(jīng)規(guī)定了，一定得用場(chǎng)效應(yīng)管，最好是P溝道和N溝道互補(bǔ)，這么大功率的場(chǎng)效應(yīng)管要用VMOS的，需要查場(chǎng)效應(yīng)管資料來(lái)選型，尤其注意其源極電阻要小，這樣才能發(fā)揮出優(yōu)秀的轉(zhuǎn)換效率，此外就是電壓和電流的選型。電壓為雙12V，幾乎所有的VMOS管都能滿足，電流要大于2A，內(nèi)阻選8毫歐的便可。電壓放大器選擇很重要，頻帶要求是50KHz，放大倍數(shù)是1265倍，則增益帶寬積要大于1265 X 50=，選100M以上的。，經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，本設(shè)計(jì)題目按題意主要有三部分組成：前置放大器、功率放大器和功率測(cè)量顯示。如何實(shí)現(xiàn)題目中要求的指標(biāo)，關(guān)鍵在于對(duì)兩級(jí)放大的設(shè)計(jì)和制作。另外還有測(cè)量顯示功放輸出功率和電源供給功率的電路。： 系統(tǒng)框圖第三章各模塊具體實(shí)現(xiàn)原理分析和說(shuō)明第一節(jié) 帶阻濾波電路 85326741UA741MNU11UC1C21UC31UC4Res2R110KR3Res2R41KRes2R51KRes2R6R5+151512Header 2IN12Header 2OUT 帶阻濾波本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的帶阻濾波器用的芯片是UA741高增益運(yùn)算放大器，功耗小，成本低。是一種普遍使用的高精度運(yùn)放。： 分析得到中心頻率為50Hz，阻帶頻率范圍為40—60Hz，45—55Hz時(shí)輸出功率衰減大于6dB。電路中元件選擇要通過(guò)計(jì)算實(shí)現(xiàn),其中500KΩR11K C1=C3200PFR4= C1=C3 C2=2C1 品質(zhì)因數(shù) 當(dāng) 時(shí) 因?yàn)? 所以第二節(jié) 前置放大及濾波電路集成運(yùn)放的Vcc采用177。15V。對(duì)第一級(jí)A1要求在信號(hào)最強(qiáng)時(shí)，保證輸出不失真。即要求輸入最大為5mV，所以Av1＝ 500/5＝100，取Av1＝100。第二級(jí)要求輸出大于等于5V，在輸入信號(hào)最小為500mV時(shí)，曾以為Av2＝＝，取Av2＝36。根據(jù)前面計(jì)算可確定各個(gè)電阻的值。電容C3和C4為耦合電容，由于運(yùn)放同向放大器輸入阻抗很高，所以可選用110uF電容。上面電路中包含了帶通濾波電路，通頻帶可以達(dá)到8Hz—60KHz，滿足了題目要求。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后已經(jīng)大大降低了輸入幅值達(dá)到了2mV輸入，輸出波形不失真。第三節(jié) 功率放大電路題目要求在8Ω電阻負(fù)載上，輸出功率≥5W，本方案采用的是MOSFET功率管，具有激勵(lì)功率小，輸出功率大，輸出漏極電流具有溫度系數(shù)，安全可靠無(wú)需加保護(hù)措施，而且還具有工作頻率高、偏置簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。因此我們用MOSFET功率管設(shè)計(jì)功放電路既簡(jiǎn)單又方便。 本方案采用的MOS管是大功率的對(duì)管IRF640和IRF9640組成的低頻功率放大。調(diào)整電位器使兩管的靜態(tài)電流為15mA20mA左右，即為正常工作狀態(tài)。對(duì)參數(shù)做了一些改進(jìn)后， 。第四節(jié) 采樣電路采樣部分共有4處，電流采樣用的是霍爾傳感器TBC25C04,它可以采集直流電流，功耗低，精度高。另外兩路采集分是別對(duì)功率輸出端的電壓電流進(jìn)行采樣，其中電流用普通的交流互感器采集就行，電壓直接采集功率電阻兩端的電壓。第五節(jié) 信號(hào)處理一、二、主要是處理兩路信號(hào)，一路是從電源采集出來(lái)的電壓電流信號(hào)，用于計(jì)算電源總輸出功率；另一路是對(duì)功率放大器輸出端采集的電壓和電流進(jìn)行處理，用于計(jì)算低頻功率放大器的輸出功率。題目要求的是還要顯示整機(jī)效率，整機(jī)效率就是用測(cè)出的功率放大器輸出功率與電源供給功率的比值，經(jīng)單片機(jī)計(jì)算可得出。圖－第六節(jié) 顯示部分顯示模塊有很多種，像LED數(shù)碼管顯示、LED點(diǎn)陣顯示、LCD1602液晶顯示等等，但是考慮到本題目要求顯示有三部分，用數(shù)碼管顯示的話需要來(lái)回切換檔位，而且數(shù)碼管不能顯示字符功耗也很大，綜合考慮我們選用LCD12864顯示，功耗小，單片機(jī)易控制，可同時(shí)顯示供給功率、輸出功率和整機(jī)效率，顯示界面簡(jiǎn)單直觀。方案選用AT89S52作為控制顯示和計(jì)算數(shù)據(jù)的單片機(jī)，AT89S52一個(gè)低功耗，低成本，高性能CMOS 8位單片機(jī)。第七節(jié) 電源部分題目要求測(cè)量并顯示電源的供給功率，而總體電路需要用雙177。15V和177。5V電源，如果用常規(guī)的穩(wěn)壓電源就需要對(duì)四路電源輸出進(jìn)行電流采樣，這樣很浪費(fèi)霍爾傳感器，成本高，電路復(fù)雜。所以設(shè)計(jì)了一種串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電源，其177。5V輸出串接在177。15V的穩(wěn)壓管后面，這樣只需對(duì)177。15V電源進(jìn)行采樣就可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量電源供給功率的目的，從而大大節(jié)省了成本，降低的整機(jī)的功耗。 第八節(jié) 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路原理圖第四章 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果第一節(jié) 用到的儀器儀表：A、雙蹤示波器：YB4360 B、頻率計(jì)： YB3371C、高精度萬(wàn)用表：Agilent 34401AD、多功能標(biāo)準(zhǔn)功率表（可測(cè)波形失真度）：WT3020第二節(jié) 測(cè)試方法：用萬(wàn)用表直接測(cè)量電源輸出的電流和電壓，然后計(jì)算出電源供給功率, 與液晶顯示的電源供給功率進(jìn)行比較求出誤差。同樣的方法可以測(cè)量出低頻功率放大器的輸出功率，從而求出誤差。整機(jī)效率. 第三節(jié) 測(cè)試數(shù)據(jù)：功率測(cè)量誤差及波形失真度測(cè)試如下表：輸入頻率(KHz )輸出功率(W)供給功率(W)整機(jī)效率波形失真度(%)顯示值（W）實(shí)際值（W）誤差%供給功率(W)實(shí)際值（W）誤差%顯示值實(shí)際值誤差10 500 5K 15K 20K 25K 30K 40K 50K 55K 經(jīng)測(cè)量分析以上數(shù)據(jù)可以看出功放輸出功率、電源供給功率和整機(jī)效率的測(cè)量誤差均小于5%,在允許誤差范圍內(nèi)。功率放大器在10Hz—50KHz的通頻帶中波形基本上不失真，失真度小于1%。滿足題目擴(kuò)展部分的要求。第五章 軟件設(shè)計(jì)第一節(jié) 軟件流程圖如圖一、 第二節(jié)整體程序28。5DH,5EH,5FH顯示緩存區(qū) DATA1 EQU P0 RS EQU RW EQU E EQU PSB EQU RST EQU CS EQU OL EQU 54H OM EQU 55H OH EQU 56H IL EQU 57H IM EQU 58H IH EQU 59H EL EQU 5AH EML EQU 5BH EMH EQU 5CH EH EQU 5DH ORG 00H LJMP START ORG 030H START:MOV SP,6FH MOV PSW,00H MOV P0,0FFH LCALL LCDINT 。LCD初始化程序 LCALL YDELAY LCALL DISP_0 。主屏顯示,初始化顯示 SETB PSB SETB RST MOV 50H,0E8H MOV 51H,03H 。F X 1000顯示 MOV 52H,01H MOV 53H,00H 。OUT 的乘數(shù) MOV 40H,01H MOV 41H,00H 。OUT 的除數(shù) MOV 42H,01H MOV 43H,00H 。IN 的乘數(shù)