2009年全国大学生电子设计竞赛G题低频功率放大器题解分享

xu__changhua

2009年全国大学生电子设计竞赛G题低频功率放大器题解分享 [复制链接]

2009年全国大学生电子设计竞赛G题是一个设计功率放大器的题，主要考核学生模拟电子技术的基础技能，要求是一定要用场效应晶体管做末级放大，且电路增益要求很大，如5mV的输入要达到5W（8欧负载）的输出，算下来要1265倍，这么大倍数的放大器还要求噪声非常小，小到5mV，失真度1%，这题相对来说是比较难的。 此外，还要检测放大器的输出功率、电源供给功率以及效率，这部分稍微容易些，但是也不是那么轻易就能解决的。 先说说实现方案吧。 功率放大器实现方法有几类，低频的有甲、乙、甲乙、丁等几种。 甲类效率很低，约20%左右，但是其失真度可以做的非常小，如0.1%，效率没做评分要点，只是适当考虑，所以可以采用； 乙类的只能有半周输出，失真度太大所以不能采用。 甲乙类是解决甲类的效率和乙类的失真度的综合途径，推荐采用； 丙类肯定不用了，那是高频功率放大器专用的类型，这里是低频的（10Hz~50KHz），所以不能采用； 丁类的（就是所谓的D类）采用H桥的开关方式工作，输入的信号要进行PWM（PWM是脉冲宽度调制），H桥输出后是一个开关量，要经过LC滤波转变为模拟量，再传送给扬声器。这种方法效率极高，但是电路复杂，调试困难，且效率不做评分的主要依据，建议舍弃这种方案。 经过综合权衡考虑，宜采用甲乙类比较合适。 再说下电路组成结构 该课题有三个主要部分构成，1：功率传输部分；2：电压放大部分（1265倍以上）；3：信号测量部分 功率传输部分没得选，课题已经规定了，一定得用场效应管，最好是P沟道和N沟道互补，这么大功率的场效应管要用V-MOS的，需要查场效应管资料来选型，尤其注意其源极电阻要小，这样才能发挥出优秀的转换效率，此外就是电压和电流的选型。电压为双12V，几乎所有的V-MOS管都能满足，电流要大于2A，内阻选8毫欧的便可。 电压放大器选择很重要，频带要求是50KHz，放大倍数是1265倍，则增益带宽积要大于1265*50=63.25M，选100M以上的。 测量部分由MCU、AD转换器、显示单元组成，注意，要两路AD转换，一路负责对扬声器上的电压测量，另一路负责对电源电流的测量，显示器选择很多，LCD点阵、LCD字符、LED数码管等均可以。 很晚了，天亮之后还有其他任务要完成，今天就分享到这里。 未完待续---------------------------------------------- [ 本帖最后由 open82977352 于 2010-1-22 09:43 编辑 ]

 

xu__changhua

继续 根据OCL电路的电压和功率和负载三者之间的数据关系（P=V2/8RL电压的平方除以8倍的负载电阻）计算得到 V=17.88V，这是理想状况，由于管子的UG与US之间有一定的压降（2-4V，两只为4-8V，比普通三极管的UBE要大得多），实际上电压需要更大一些，我们先选24V，即+12V和-12V。电路如图，逐个元件分析。 N沟和P沟的V-MOS场效应管选择跨导、UGS、RD相同的对管，10K电位器用于调节跟踪两个UGS并略大些，以便消除交越失真，两个4148接在电位器上，4148一定要接近场效应管的散热片，以感受热量，实现温度负反馈，以便调节管子温度过高而导致的电流加大，这是利用反向饱和电流随温度变高而变大，UGG减小，导通能力变小，电流减小，温度降低从而保护场效应管。 这里要隆重展现两个1000uF电容的功劳，这里起到自举的作用，随着正弦输入信号的上升，上面的电容上方电压有超过电源正电位的可能，随着正弦输入信号的下降，下面的电容下端的电压低于电源负电位的可能，这样，随着信号的增大，场效应管的输出有完全跟踪输入信号的幅度的可能，使得输出功率达到极致，电源利用效率大大提高。 待续 [ 本帖最后由 xu__changhua 于 2009-9-9 15:39 编辑 ]

 

xu__changhua

继续 电压放大部分比较简单，选择的原则是要满足增益带宽积为100MHz的要求，其次是开环增益要大，如10的9次方，如果兼顾考虑选择斩波稳零放大器，且温度漂移小的，则功率传输部分的输入电容可以改为直达的直接耦合方式，以进一步展宽频带。但这样的运放放大器很贵。 该运放还可以分两级来完成，前一级和后一级的AV的乘积为1265倍也可，这样一方面对放大器的增益带宽积的要求可以降低，另一方面对运算放大器的开环增益要求也可降低。但是这样做对输出噪声的要求不利，且级数多了容易发生自激现象。 综合考虑，采用一级100MHz增益带宽积、高增益的运放，交流耦合，这样对输出噪声参数的要求（0输入时5mV）有利，对失调电压、零点漂移的要求可以降低，只要输出电容的容量足够大，满足频带要求是不成问题的。 未完待续。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 [ 本帖最后由 xu__changhua 于 2009-9-9 22:11 编辑 ]

 

xu__changhua

。。。。。。。。 [ 本帖最后由 xu__changhua 于 2009-9-11 14:46 编辑 ]

 

yang_xian521

做f题的应该不太爽，要是有你这方案也能做个好功放

 

xu__changhua

。。。。。。。。。。。。。。。。。。

[ 本帖最后由 xu__changhua 于 2009-9-11 14:48 编辑 ]

0500110118

学习了，

ni_qingqing

老师，真强.........
顶

nicle

受教了

zgang

此题不易，某省测试没有一个理想的，省会元件中心卖的2元MOS管子质量不好。。。双电源12伏很难出来..

xu__changhua

原帖由 zgang 于 2009-9-14 08:19 发表
此题不易，某省测试没有一个理想的，省会元件中心卖的2元MOS管子质量不好。。。双电源12伏很难出来..

双电源12V不采取双自举当然无法获得5W，引入双自举后我的在交专家处测试为6.3W

如果我手头有增益带宽积为80-100M的，开环增益为10的8次方的运算放大器的话，我的就完美了，国家一等奖没问题

但是我只有10M的NE5534，通频带不够大，只有6KHz，所以只封样，没冲进国家奖，遗憾。

省测试结果：

失真度   0.2%（特强）
功率      6.3W（特强）
噪声      3mV
通频带   8Hz~6KHz（太差）
效率       61%
50Hz陷波 = 接近60db（特强）
测量电路的测量结果：专家无异议，满足5%要求

xu__changhua

电源电流检测电路


G题共享完毕

[ 本帖最后由 xu__changhua 于 2009-9-15 02:32 编辑 ]

herokeep

学习，膜拜

xu__changhua

仅缺50Hz的陷波电路，我用的是有源双T标准陷波电路。

dengjieee

学习了，好想收藏起来，慢慢看

xu__changhua

+12V回路的电流检测和-12V的类似，此处省略，都是因为电平不匹配的问题，所以要用光电耦合器传送脉冲。两路的光耦输出要经过MUX送到MCU的T1端口。

xizhang

请教版主：N沟和P沟的V-MOS场效应管对管的管型是什么？还有没有其他功能的常用管型？另外一般的绝缘栅型管子能用吗？如果能用一般常用的管子有哪些？谢谢!

吕成丽

经典之作呀

xu__changhua

N沟道场效应管为IRF3205
P沟道场效应管为IRF4905

xxw9054

好厉害