2009全國大學生電子設(shè)計競賽解題思路

2009年全國大學生電子設(shè)計競賽G題是一個設(shè)計功率放大器的題，主要考核學生模擬電子技術(shù)的基礎(chǔ)技能，要求是一定要用場效應(yīng)晶體管做末級放大，且電路增益要求很大，如5mV的輸入要達到5W(8歐負載)的輸出，算下來要1265倍，這么大倍數(shù)的放大器還要求噪聲非常小，小到5mV，失真度1%，這題相對來說是比較難的。

此外，還要檢測放大器的輸出功率、電源供給功率以及效率，這部分稍微容易些，但是也不是那么輕易就能解決的。

先說說實現(xiàn)方案吧。

功率放大器實現(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，如0.1%，效率沒做評分要點，只是適當考慮，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。

甲乙類是解決甲類的效率和乙類的失真度的綜合途徑，推薦采用;

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，輸入的信號要進行PWM(PWM是脈沖寬度調(diào)制)，H橋輸出后是一個開關(guān)量，要經(jīng)過LC濾波轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量，再傳送給揚聲器。這種方法效率極高，但是電路復雜，調(diào)試困難，且效率不做評分的主要依據(jù)，建議舍棄這種方案。

經(jīng)過綜合權(quán)衡考慮，宜采用甲乙類比較合適。

再說下電路組成結(jié)構(gòu)

該課題有三個主要部分構(gòu)成，1：功率傳輸部分;2：電壓放大部分(1265倍以上);3：信號測量部分

功率傳輸部分沒得選，課題已經(jīng)規(guī)定了，一定得用場效應(yīng)管，最好是P溝道和N溝道互補，這么大功率的場效應(yīng)管要用V-MOS的，需要查場效應(yīng)管資料來選型，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V-MOS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*50=63.25M，選100M以上的。

測量部分由MCU、AD轉(zhuǎn)換器、顯示單元組成，注意，要兩路AD轉(zhuǎn)換，一路負責對揚聲器上的電壓測量，另一路負責對電源電流的測量，顯示器選擇很多，LCD點陣、LCD字符、LED數(shù)碼管等均可以。

很晚了，天亮之后還有其他任務(wù)要完成，今天就分享到這里。

根據(jù)OCL電路的電壓和功率和負載三者之間的數(shù)據(jù)關(guān)系(P=V2/8RL電壓的平方除以8倍的負載電阻)計算得到

V=17.88V，這是理想狀況，由于管子的UG與US之間有一定的壓降(2-4V，兩只為4-8V，比普通三極管的UBE要大得多)，實際上電壓需要更大一些，我們先選24V，即+12V和-12V。電路如圖，逐個元件分析。

N溝和P溝的V-MOS場效應(yīng)管選擇跨導、UGS、RD相同的對管，10K電位器用于調(diào)節(jié)跟蹤兩個UGS并略大些，以便消除交越失真，兩個4148接在電位器上，4148一定要接近場效應(yīng)管的散熱片，以感受熱量，實現(xiàn)溫度負反饋，以便調(diào)節(jié)管子溫度過高而導致的電流加大，這是利用反向飽和電流隨溫度變高而變大，UGG減小，導通能力變小，電流減小，溫度降低從而保護場效應(yīng)管。

這里要隆重展現(xiàn)兩個1000uF電容的功勞，這里起到自舉的作用，隨著正弦輸入信號的上升，上面的電容上方電壓有超過電源正電位的可能，隨著正弦輸入信號的下降，下面的電容下端的電壓低于電源負電位的可能，這樣，隨著信號的增大，場效應(yīng)管的輸出有完全跟蹤輸入信號的幅度的可能，使得輸出功率達到極致，電源利用效率大大提高。

電壓放大部分比較簡單，選擇的原則是要滿足增益帶寬積為100MHz的要求，其次是開環(huán)增益要大，如10的9次方，如果兼顧考慮選擇斬波穩(wěn)零放大器，且溫度漂移小的，則功率傳輸部分的輸入電容可以改為直達的直接耦合方式，以進一步展寬頻帶。但這樣的運放放大器很貴。

該運放還可以分兩級來完成，前一級和后一級的AV的乘積為1265倍也可，這樣一方面對放大器的增益帶寬積的要求可以降低，另一方面對運算放大器的開環(huán)增益要求也可降低。但是這樣做對輸出噪聲的要求不利，且級數(shù)多了容易發(fā)生自激現(xiàn)象。

綜合考慮，采用一級100MHz增益帶寬積、高增益的運放，交流耦合，這樣對輸出噪聲參數(shù)的要求(0輸入時5mV)有利，對失調(diào)電壓、零點漂移的要求可以降低，只要輸出電容的容量足夠大，滿足頻帶要求是不成問題的。

雙電源12V不采取雙自舉當然無法獲得5W，引入雙自舉后我的在交專家處測試為6.3W

如果我手頭有增益帶寬積為80-100M的，開環(huán)增益為10的8次方的運算放大器的話，我的就完美了，國家一等獎沒問題

但是我只有10M的NE5534，通頻帶不夠大，只有6KHz，所以只封樣，沒沖進國家獎，遺憾。

省測試結(jié)果：

失真度 0.2%(特強)

功率 6.3W(特強)

噪聲 3mV

通頻帶 8Hz~6KHz(太差)

效率 61%

50Hz陷波 = 接近60db(特強)

測量電路的測量結(jié)果：專家無異議，滿足5%要求

電源電流檢測電路

G題共享完畢