第一篇：數(shù)字幅頻均衡功率放大器設(shè)計(jì)報(bào)告

2009全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽 題目F：

《數(shù)字幅頻均衡功率放大器》

參賽學(xué)生： 指導(dǎo)教師： 學(xué) 校： 院 系： 2009年9月5日

摘要：

本系統(tǒng)采用DSP作為主控制器，通過前置放大、濾波，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換，對信號進(jìn)行采樣，把連續(xù)信號離散化，然后通過離散傅氏變換（DFT）運(yùn)算，在時(shí)域和頻域?qū)σ纛l信號各個(gè)頻率分量以及功率等指標(biāo)進(jìn)行分析和處理，最后通過低頻功放將信號放大，并通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件MATLAB將處理后的參數(shù)送入DSP,同時(shí)將信息在液晶屏上顯示出來。

關(guān)鍵詞：DSP、FFT、數(shù)字均衡、低頻功放、MATLAB 引言

隨著數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)的發(fā)展，DSP技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。借助于現(xiàn)代數(shù)字電子及數(shù)字信號處理技術(shù)，古老的音響技術(shù)也煥發(fā)出新的活力。本次大賽中我們選擇了F題，圍繞這一課題我們進(jìn)行方案選擇與論證、系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試，基本實(shí)現(xiàn)了課目的各項(xiàng)指標(biāo)也要求。并在此基礎(chǔ)上，撰寫了本報(bào)告的。

整個(gè)系統(tǒng)分為前置放大、信號濾波、數(shù)字均衡及功率放大幾個(gè)部分，以下分別介紹。前置放大器的設(shè)計(jì)

2.1 前置放大的硬件設(shè)計(jì)和帶阻網(wǎng)絡(luò)

2.1.1 前置放大的硬件設(shè)計(jì)

可控增益寬帶放大器由芯片AD603構(gòu)成。AD603為單通道、低噪聲、增益變化范圍線性連續(xù)可調(diào)的可控增益放大器，AD603的帶寬為90MHz時(shí)，其增益高達(dá)30dB.本課題中，我們選擇兩片AD603，構(gòu)成如圖.1所示的自動(dòng)增益控制放大器。C1310VAD603輸入電阻100歐C1710VR10R15R1310VC19J4U5U6128C113578R0103Q157R910VR74C141210VR114R011C18AGC時(shí)間常數(shù)電容CavQ21266J29C20R8C013+C12C15C16+12R12R16R14J35J512R17R18R1910V可編程放大器電路P14312

圖.1可編程放大電路

2.1.2 帶阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

本題中要求，所制作的帶阻網(wǎng)絡(luò)對前置放大電路所輸出的信號v1進(jìn)行濾波，根據(jù)題目要求，本次制作的帶阻網(wǎng)絡(luò)電路圖如圖.2所示。

圖.2帶阻網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)題目中所給的阻帶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，我們采用Multisim進(jìn)行了輔助分析與設(shè)計(jì)，其幅頻特性的分析結(jié)果如圖.4所示。

圖.3波特圖

根據(jù)圖.3可知，在以10kHz時(shí)輸出信號v2電壓幅度為基準(zhǔn)，達(dá)到了最大衰減?10dB的要求。數(shù)字均衡方法比較與選擇

在音響系統(tǒng)中，均衡器可以分別調(diào)節(jié)音頻信號的各頻率成分增益，從而可以補(bǔ)償揚(yáng)聲器和聲場的缺陷。均衡器可分為三類：圖示均衡器，參量均衡器和房間均衡器。傳統(tǒng)的均衡器僅將音頻信號按高頻、中頻、低頻三段頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用數(shù)字信號處理技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對音頻信號的更精細(xì)的調(diào)節(jié)，這類均衡器稱為數(shù)字均衡器。數(shù)字均衡器可以作成圖示EQ、參量EQ或者兩者兼有的EQ，不僅性能指標(biāo)優(yōu)異，操作方便，而且還可同時(shí)儲存多種用途的頻響均衡特性，以供不同節(jié)目要求選用。數(shù)字均衡可以做到10段參量均衡和29段圖示均衡，結(jié)合其它功能，如噪聲門功能等。

在本次設(shè)計(jì)中，我們給出了一個(gè)有參量EQ或者兩者兼有的EQ。其設(shè)計(jì)過程如下：

3.1 數(shù)字均衡器實(shí)現(xiàn)方案選擇

方案一：采用ARM（嵌入式系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)數(shù)字均衡

基于精簡指令集（RISC）的32位ARM微控制器具有一定的數(shù)字信號處理能力，可以用來實(shí)現(xiàn)簡單的數(shù)字均衡器，但當(dāng)均衡器的功能及性能要求較高時(shí)，ARM就不能勝任了。

方案二：采用基于DSP的數(shù)字信號處理系統(tǒng)

數(shù)字信號處理器具有強(qiáng)大的數(shù)字信號處理功能，能夠勝任較為復(fù)雜的音頻信號的各種處理功能，速度快，功耗低。但是DSP弱于事務(wù)管理。往往要結(jié)合其它處理器，實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)界面。

方案三：大規(guī)?？删幊唐骷?/p>

利用大規(guī)?？删幊唐骷?shí)現(xiàn)的算法是以邏輯運(yùn)算完成的最大優(yōu)越性在于“高速”，實(shí)現(xiàn)算法的系統(tǒng)延時(shí)非常小，但價(jià)格較高。

綜合以上各種因素，并考慮到我們的知識與能力，我們選擇DSP實(shí)現(xiàn)音頻信號的數(shù)字均衡，并以DSP實(shí)現(xiàn)簡單的人機(jī)界面。

3.2 數(shù)字均衡算法選擇

3.2.1 軟件理論實(shí)現(xiàn)方案有三種，如下： 方案一：帶通濾波器

根據(jù)數(shù)字均衡基本原理，我們可以采用一組中心頻率和帶寬符合一定要求、增益可調(diào)的帶通濾波器（band-pass filter）實(shí)現(xiàn)均衡，并采用MATLAB等計(jì)算機(jī)輔助分析與設(shè)計(jì)工具，選擇設(shè)計(jì)理想的濾波器，生成濾波函數(shù)的時(shí)域沖激響應(yīng)系數(shù)，最后在DSP中以時(shí)域卷積的形式實(shí)現(xiàn)濾波與均衡。

方案二：傅立葉變換

傅立葉變換是將信號從時(shí)域變換到頻域的一種變換形式，是信號處理領(lǐng)域中的一種重要的分析工具。離散傅立葉變換（DFT）是連續(xù)傅立葉變換在離散系統(tǒng)中的表現(xiàn)形式。在信號的頻譜分析、系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中都會用到DFT的計(jì)算。快速傅立葉變換（FFT）算法，這是一種快速計(jì)算的DFT，可以明顯降低運(yùn)算量，大大地提高了DFT的運(yùn)算速度。

序列x(n)的DFT表達(dá)式為：

N/2?1X(k)??x(r)W1r?02rkN?WkNN/2?1r?0?x(r)W22rkN

DSP芯片的出現(xiàn)使FFT的實(shí)現(xiàn)變得更為方便。由于大多數(shù)DSP芯片都具有在單指令周期內(nèi)完成乘法累加操作的功能，并且提供了專門的FFT指令，這使得FFT算法在DSP芯片中的實(shí)現(xiàn)速度更快，從而更加證實(shí)了用DSP的好處。綜上所述，由于使用了DSP芯片，而DSP芯片里提供了專門的FFT指令，所以軟件理論采用了傅立葉變換的方式。低頻功放的硬件設(shè)計(jì)

由于甲類功率放大器的效率小于50%，所以不符合題目中≥60%的要求。B類功率放大器雖然效率較高，但是其交越較大，所以也不符合要求。AB類功放存在著交越失真，也不符合，所以選擇D類功率放大器。D類功放具有效率高、體積小、輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)。

對于D類功放有三種方案

4.1 采用專用的D類功放器件

此類經(jīng)典D 類功放主要由脈沖寬度調(diào)制器、開關(guān)放大器和低通濾波器等三部分組成，由三角波發(fā)生器、比較器和音頻輸入信號構(gòu)成脈寬調(diào)制器(PWM)；兩只輸出場效應(yīng)管組成開關(guān)放大器；LF 和 CF 構(gòu)成低通濾波器，用以恢復(fù)音頻信號。驅(qū)動(dòng)級用來驅(qū)動(dòng)開關(guān)放大器，使放大器輸出信號為在VDD和?VDD 間切換的高頻方波。

圖.4經(jīng)典D 類功放結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 基于DSP或ARM的D類功率放大器件

首先對輸入的音頻PCM信號進(jìn)行采樣, 然后進(jìn)入DSP 處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字變換和濾波, 包括差值運(yùn)算器, 數(shù)字低通濾波器和Σ-△調(diào)制器。然后用已經(jīng)獲得的二進(jìn)制序列法去控制MOS管的通斷, 并通過模擬的0~24K 的低通濾波器傳輸?shù)侥M輸出。

此方案是利用DSP 芯片的高速計(jì)算能力, 實(shí)現(xiàn)了數(shù)字功率放大器的功能及數(shù)字處理本身的特性, 整個(gè)放大過程的精度、信噪比和延時(shí)都可以通過對算法的修改來實(shí)現(xiàn),。比PWM技術(shù)具有更大的靈活性, 且能實(shí)現(xiàn)較好的還原效果。

4.3 采用可編程器件實(shí)現(xiàn)D類功率放大器

在全數(shù)字音頻功率放大器的設(shè)計(jì)中，采用了CPLD來實(shí)現(xiàn)將PCM數(shù)字語音數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成PWM信號，并在D類放大器的實(shí)現(xiàn)上采用了改進(jìn)的PWM方案，實(shí)現(xiàn)了D類放大器具有效率高、濾波器設(shè)計(jì)簡化等特點(diǎn)。

信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)入DSP器件，再經(jīng)過由CPLD構(gòu)成的脈沖寬度調(diào)制器，產(chǎn)生的信號用來驅(qū)動(dòng)級由MOS管構(gòu)成的開關(guān)放大器，經(jīng)濾波之后將信號反饋到輸入端，與輸入值作比較來減少輸出波形的失真度。如圖.5所示。

圖.5 低頻功放的組成框圖

本次設(shè)計(jì)中，我們采用由高速模擬比較器、波形發(fā)生成及PID環(huán)節(jié)構(gòu)的控制器。硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

5.1 DSP的硬件設(shè)計(jì)

本開發(fā)板配有8位數(shù)碼管顯示、16個(gè)按鍵的控制電路、外接21引腳液晶顯示、2個(gè)138譯碼器、AD與DA轉(zhuǎn)換器和豐富的外部擴(kuò)展接口。具體功能和應(yīng)用介紹如下。

5.1.1 DSP芯片介紹

此次競賽采用TMS320C5416芯片，這個(gè)芯片的特點(diǎn)有：1采用哈佛結(jié)構(gòu)，能同時(shí)對程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行操作；2采用多種線結(jié)構(gòu)，可同時(shí)進(jìn)行取指令和多個(gè)數(shù)據(jù)存取操作；3采用流水線操作；4配有專用的硬件乘法—累加器，可在一個(gè)周期內(nèi)完成一次乘法和一次累加操作；5具有的特殊DSP指令；6快速的指令周期；7硬件配置強(qiáng)；支持多處理結(jié)構(gòu)；省電管理和低功耗。

5.1.2 按鍵電路

本實(shí)驗(yàn)板有16個(gè)小按鍵，按鍵讀寫控制由138譯碼器（U10）的11、12腳結(jié)合兩塊SN74HC573芯片控制，以識別按鍵操作。138再由DSP的A12到A15端口（高四位地址）控制按鍵的選通。按鍵電路可以用于控制數(shù)碼管顯示、液晶顯示等等，這主要由編程控制

5.1.3 液晶電路

實(shí)驗(yàn)板上提供外接21腳液晶，我們采用外接型號為ATM240128的液晶顯示屏。

液晶顯示內(nèi)容由DSP的D0到D7端口外接10千歐電阻提供數(shù)據(jù)。液晶的現(xiàn)實(shí)控制由138譯碼器控制LCD使能端口、DSP_R/W控制WR和RD端口、DSP_A0、A1分別控制LED背景光源負(fù)極和數(shù)據(jù)命令選擇端。

5.1.4 ADDA轉(zhuǎn)換器

實(shí)驗(yàn)板AD轉(zhuǎn)換器由貼片芯片TLV1571組成，DA轉(zhuǎn)換器由貼片芯片TLV5619組成。

TLV1571 是TI 公司專門為DSP 配套制作的一種10 位并行A/D 轉(zhuǎn)換器，具有速度高、接口簡單、功耗低的特點(diǎn)，外圍電路中通過A/D 轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再由DSP 實(shí)時(shí)地對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字技術(shù)處理。TLV5619是美國德州儀器公司推出的高速低功耗DAC器件, 它是帶有12位并行數(shù)字輸入的電壓輸出 型DAC。該器件與TMS320系列器件的并行接口兼容, 采用2.7~5.5 V單電壓供電。當(dāng)使用LDAC管腳時(shí), 它可以異步更新緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。當(dāng)設(shè)置為低功率時(shí), 其功耗僅為50 nW。軟件設(shè)計(jì)

6.1軟件流程圖如圖.10所示。

開始初步確定中心頻率用matlab仿真進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)滿足技術(shù)指標(biāo)？YN參數(shù)處理導(dǎo)入CCS，進(jìn)行仿真N滿足技術(shù)指標(biāo)？Y下載運(yùn)行結(jié)束

圖.10 軟件流程圖 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試過程中，首先通過MATLAB仿真，按照競賽要求設(shè)計(jì)20hz-20khz的衰減小于1.5分貝，得到濾波系數(shù)h(n),然后通過ccs進(jìn)行數(shù)字信號處理。首先通過A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后將輸入的信號 與h(n)進(jìn)行卷積，得到濾波的信號，本設(shè)計(jì)考慮到實(shí)行性，及穩(wěn)定性采用40階的FIR濾波器。在調(diào)試的過程中，遇到的問題很多，如實(shí)時(shí)性，首先用80階的FIR,不能完成實(shí)時(shí)性，后來，通過調(diào)試改為40階FIR濾波器。D類功放的測試分控制電路部分、功率主回路部分及系統(tǒng)總體測試。首先完成了，D類功放主回路的調(diào)試與測試，這部分調(diào)試通過后，再調(diào)試控制回路，完成了其中的高速PWM發(fā)生器，PID環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)總結(jié)

我們花了兩個(gè)多月的時(shí)間來準(zhǔn)備電子設(shè)計(jì)大賽，從9月2日起，比賽正式開始，到今日為止，整整四天三夜。在這些天的奮斗過程中，大家互相合作，互補(bǔ)不足。俗話說：“三個(gè)臭皮匠，頂個(gè)諸葛亮?！痹谶@四天三夜里，我們集聚了個(gè)人的所長，及時(shí)的完成了我們選的題目。在這次的次賽中，我們對電子制作有了更加濃厚的興趣，對數(shù)字信號處理、數(shù)字均衡、DSP及相關(guān)期間有了更進(jìn)一步的了解，我們再完成任務(wù)的同時(shí)，也鍛煉了我們吃苦耐勞的能力。但，由于初次參加此類比賽，對有些芯片還不是很了解，導(dǎo)致在比賽過程中，在芯片選擇上，花費(fèi)了大量的時(shí)間。這說明我們的準(zhǔn)備工作做的還不是非常到位。

參考文獻(xiàn)

[1]黃智偉.《 全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽系統(tǒng)設(shè)計(jì)》.北京航空航天大學(xué)出版社.2006年； [2]鄒彥.《DSP原理及應(yīng)用》.電子工業(yè)出版社

[3]曾寶國;曾妍.《D 類功率放大器的原理及應(yīng)用》.四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院

[4]符曉玲;姜 波.《基于DSP 的數(shù)字音頻功率放大器的設(shè)計(jì)》.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院

第二篇：2009全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽 ——《數(shù)字幅頻均衡功率放大器》

2009全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽 題目F：

《數(shù)字幅頻均衡功率放大器》

參賽學(xué)生：徐宋靜 劉玉河 梁杰

指導(dǎo)教師： 趙正敏 楊定禮

學(xué) 校：淮陰工學(xué)院

院 系： 電子與電氣工程學(xué)院

2009年9月5日

摘要：

本系統(tǒng)采用DSP作為主控制器，通過前置放大、濾波，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換，對信號進(jìn)行采樣，把連續(xù)信號離散化，然后通過離散傅氏變換（DFT）運(yùn)算，在時(shí)域和頻域?qū)σ纛l信號各個(gè)頻率分量以及功率等指標(biāo)進(jìn)行分析和處理，最后通過低頻功放將信號放大，并通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件MATLAB將處理后的參數(shù)送入DSP,同時(shí)將信息在液晶屏上顯示出來。

關(guān)鍵詞：DSP、數(shù)字均衡、低頻功放、MATLAB 引言

隨著數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)的發(fā)展，DSP技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。借助于現(xiàn)代數(shù)字電子及數(shù)字信號處理技術(shù)，古老的音響技術(shù)也煥發(fā)出新的活力。本次大賽中我們選擇了F題，圍繞這一課題我們進(jìn)行方案選擇與論證、系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試，基本實(shí)現(xiàn)了課目的各項(xiàng)指標(biāo)也要求。并在此基礎(chǔ)上，撰寫了本報(bào)告的。

整個(gè)系統(tǒng)分為前置放大、信號濾波、數(shù)字均衡及功率放大幾個(gè)部分，以下分別介紹。前置放大器的設(shè)計(jì)

2.1 前置放大的硬件設(shè)計(jì)和帶阻網(wǎng)絡(luò)

2.1.1 前置放大的硬件設(shè)計(jì)

可控增益寬帶放大器由芯片AD603構(gòu)成。AD603為單通道、低噪聲、增益變化范圍線性連續(xù)可調(diào)的可控增益放大器，AD603的帶寬為90MHz時(shí)，其增益高達(dá)30dB.本課題中，我們選擇兩片AD603，構(gòu)成如圖.1所示的自動(dòng)增益控制放大器。C1310VAD603輸入電阻100歐C1710VR10R15R13110VC9J4U5U6128C113578R0103Q157R910VR74C141210VR114R011C18AGC時(shí)間常數(shù)電容CavQ21266J29C20R8C013+C12C15C16+12R12R16R14J35J512R17R18R1910V可編程放大器電路P14312

圖.1可編程放大電路

2.1.2 帶阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

本題中要求，所制作的帶阻網(wǎng)絡(luò)對前置放大電路所輸出的信號v1進(jìn)行濾波，根據(jù)題目要求，本次制作的帶阻網(wǎng)絡(luò)電路圖如圖.2所示。

圖.2帶阻網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)題目中所給的阻帶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，我們采用Multisim進(jìn)行了輔助分析與設(shè)計(jì)，其幅頻特性的分析結(jié)果如圖.4所示。

圖.3波特圖

根據(jù)圖.3可知，在以10kHz時(shí)輸出信號v2電壓幅度為基準(zhǔn)，衰減大約為30db，達(dá)到了最大衰減?10dB的要求。數(shù)字均衡方法比較與選擇

在音響系統(tǒng)中，均衡器可以分別調(diào)節(jié)音頻信號的各頻率成分增益，從而可以補(bǔ)償揚(yáng)聲器和聲場的缺陷。均衡器可分為三類：圖示均衡器，參量均衡器和房間均衡器。傳統(tǒng)的均衡器僅將音頻信號按高頻、中頻、低頻三段頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用數(shù)字信號處理技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對音頻信號的更精細(xì)的調(diào)節(jié)，這類均衡器稱為數(shù)字均衡器。數(shù)字均衡器可以作成圖示EQ、參量EQ或者兩者兼有的EQ，不僅性能指標(biāo)優(yōu)異，操作方便，而且還可同時(shí)儲存多種用途的頻響均衡特性，以供不同節(jié)目要求選用。數(shù)字均衡可以做到10段參量均衡和29段圖示均衡，結(jié)合其它功能，如噪聲門功能等。

在本次設(shè)計(jì)中，我們給出了一個(gè)有參量EQ或者兩者兼有的EQ。其設(shè)計(jì)過程 如下：

3.1 數(shù)字均衡器實(shí)現(xiàn)方案選擇

方案一：采用ARM（嵌入式系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)數(shù)字均衡

基于精簡指令集（RISC）的32位ARM微控制器具有一定的數(shù)字信號處理能力，可以用來實(shí)現(xiàn)簡單的數(shù)字均衡器，但當(dāng)均衡器的功能及性能要求較高時(shí)，ARM就不能勝任了。

方案二：采用基于DSP的數(shù)字信號處理系統(tǒng)

數(shù)字信號處理器具有強(qiáng)大的數(shù)字信號處理功能，能夠勝任較為復(fù)雜的音頻信號的各種處理功能，速度快，功耗低。但是DSP弱于事務(wù)管理。往往要結(jié)合其它處理器，實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)界面。

方案三：大規(guī)模可編程器件

利用大規(guī)?？删幊唐骷?shí)現(xiàn)的算法是以邏輯運(yùn)算完成的最大優(yōu)越性在于“高速”，實(shí)現(xiàn)算法的系統(tǒng)延時(shí)非常小，但價(jià)格較高。

綜合以上各種因素，并考慮到我們的知識與能力，我們選擇DSP實(shí)現(xiàn)音頻信號的數(shù)字均衡，并以DSP實(shí)現(xiàn)簡單的人機(jī)界面。

3.2 數(shù)字均衡算法選擇

3.2.1 軟件理論實(shí)現(xiàn)方案有三種，如下： 方案一：帶通濾波器

根據(jù)數(shù)字均衡基本原理，我們可以采用一組中心頻率和帶寬符合一定要求、增益可調(diào)的帶通濾波器（band-pass filter）實(shí)現(xiàn)均衡，并采用MATLAB等計(jì)算機(jī)輔助分析與設(shè)計(jì)工具，選擇設(shè)計(jì)理想的濾波器，生成濾波函數(shù)的時(shí)域沖激響應(yīng)系數(shù)，最后在DSP中以時(shí)域卷積的形式實(shí)現(xiàn)濾波與均衡。

方案二：傅立葉變換

傅立葉變換是將信號從時(shí)域變換到頻域的一種變換形式，是信號處理領(lǐng)域中的一種重要的分析工具。離散傅立葉變換（DFT）是連續(xù)傅立葉變換在離散系統(tǒng)中的表現(xiàn)形式。在信號的頻譜分析、系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中都會用到DFT的計(jì)算。快速傅立葉變換（FFT）算法，這是一種快速計(jì)算的DFT，可以明顯降低運(yùn)算量，大大地提高了DFT的運(yùn)算速度。

綜上所述，由于水平有限，我們在軟件理論中采用了帶通濾波器的方式。3.2.2用Matlab實(shí)現(xiàn)帶通濾波器

Matlab的信號處理工具箱提供了支持實(shí)現(xiàn)FIR濾波器和IIR濾波器設(shè)計(jì)方法的函數(shù)，以下是通過Matlab所畫出的濾波圖。低頻功放的硬件設(shè)計(jì)

由于甲類功率放大器的效率小于50%，所以不符合題目中≥60%的要求。B類功率放大器雖然效率較高，但是其交越較大，所以也不符合要求。AB類功放存在著交越失真，也不符合，所以選擇D類功率放大器。D類功放具有效率高、體積小、輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)。

對于D類功放有三種方案

4.1 采用專用的D類功放器件

此類D 類功放主要由脈沖寬度調(diào)制器、開關(guān)放大器和低通濾波器等三部分組成，由三角波發(fā)生器、比較器和音頻輸入信號構(gòu)成脈寬調(diào)制器(PWM)；兩只輸出場效應(yīng)管組成開關(guān)放大器；LF 和 CF 構(gòu)成低通濾波器，用以恢復(fù)音頻信號。驅(qū)動(dòng)級用來驅(qū)動(dòng)開關(guān)放大器，使放大器輸出信號為在VDD和?VDD 間切換的高頻方波。

圖.4經(jīng)典D 類功放結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 基于DSP或ARM的D類功率放大器件

首先對輸入的音頻PCM信號進(jìn)行采樣, 然后進(jìn)入DSP 處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字變換和濾波, 包括差值運(yùn)算器, 數(shù)字低通濾波器和Σ-△調(diào)制器。然后用已經(jīng)獲得的二進(jìn)制序列法去控制MOS管的通斷, 并通過模擬的0~24K 的低通濾波器傳輸?shù)侥M輸出。

此方案是利用DSP 芯片的高速計(jì)算能力, 實(shí)現(xiàn)了數(shù)字功率放大器的功能及數(shù)字處理本身的特性, 整個(gè)放大過程的精度、信噪比和延時(shí)都可以通過對算法的修改來實(shí)現(xiàn),。比PWM技術(shù)具有更大的靈活性, 且能實(shí)現(xiàn)較好的還原效果。

4.3 采用可編程器件實(shí)現(xiàn)D類功率放大器 在全數(shù)字音頻功率放大器的設(shè)計(jì)中，采用了CPLD來實(shí)現(xiàn)將PCM數(shù)字語音數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成PWM信號，并在D類放大器的實(shí)現(xiàn)上采用了改進(jìn)的PWM方案，實(shí)現(xiàn)了D類放大器具有效率高、濾波器設(shè)計(jì)簡化等特點(diǎn)。

信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)入DSP器件，再經(jīng)過由CPLD構(gòu)成的脈沖寬度調(diào)制器，產(chǎn)生的信號用來驅(qū)動(dòng)級由MOS管構(gòu)成的開關(guān)放大器，經(jīng)濾波之后將信號反饋到輸入端，與輸入值作比較來減少輸出波形的失真度。如圖.5所示。

本次設(shè)計(jì)中，我們采用由高速模擬比較器、波形發(fā)生成及

PID環(huán)節(jié)構(gòu)的控

制器。硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

5.1 DSP的硬件設(shè)計(jì)

本開發(fā)板配有8位數(shù)碼管顯示、16個(gè)按鍵的控制電路、外接21引腳液晶顯示、2個(gè)138譯碼器、AD與DA轉(zhuǎn)換器和豐富的外部擴(kuò)展接口。具體功能和應(yīng)用介紹如下。

5.1.1 DSP芯片介紹

此次競賽采用TMS320C5416芯片，這個(gè)芯片的特點(diǎn)有：1采用哈佛結(jié)構(gòu)，能同時(shí)對程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行操作；2采用多種線結(jié)構(gòu)，可同時(shí)進(jìn)行取指令和多個(gè)數(shù)據(jù)存取操作；3采用流水線操作；4配有專用的硬件乘法—累加器，可在一個(gè)周期內(nèi)完成一次乘法和一次累加操作；5具有的特殊DSP指令；6快速的指令周期；7硬件配置強(qiáng)；支持多處理結(jié)構(gòu)；省電管理和低功耗。

5.1.2 按鍵電路

本實(shí)驗(yàn)板有16個(gè)小按鍵，按鍵讀寫控制由138譯碼器（U10）的11、12腳結(jié)合兩塊SN74HC573芯片控制，以識別按鍵操作。138再由DSP的A12到A15端口（高四位地址）控制按鍵的選通。按鍵電路可以用于控制數(shù)碼管顯示、液晶顯示等等，這主要由編程控制

5.1.3 液晶電路

實(shí)驗(yàn)板上提供外接21腳液晶，我們采用外接型號為ATM240128的液晶顯示屏。

液晶顯示內(nèi)容由DSP的D0到D7端口外接10千歐電阻提供數(shù)據(jù)。液晶的現(xiàn)實(shí)控制由138譯碼器控制LCD使能端口、DSP_R/W控制WR和RD端口、DSP_A0、A1分別控制LED背景光源負(fù)極和數(shù)據(jù)命令選擇端。

5.1.4 AD / DA轉(zhuǎn)換器

實(shí)驗(yàn)板AD轉(zhuǎn)換器由貼片芯片TLV1571組成，DA轉(zhuǎn)換器由貼片芯片TLV5619組成。TLV1571 是TI 公司專門為DSP 配套制作的一種10 位并行A/D 轉(zhuǎn)換器，具有速度高、接口簡單、功耗低的特點(diǎn)，外圍電路中通過A/D 轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再由DSP 實(shí)時(shí)地對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字技術(shù)處理。TLV5619是美國德州儀器公司推出的高速低功耗DAC器件, 它是帶有12位并行數(shù)字輸入的電壓輸出型DAC。該器件與TMS320系列器件的并行接口兼容, 采用2.7~5.5 V單電壓供電。當(dāng)使用LDAC管腳時(shí), 它可以異步更新緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。當(dāng)設(shè)置為低功率時(shí), 其功耗僅為50 nW。軟件設(shè)計(jì)

6.1軟件流程圖如圖.10所示。

開始初步確定中心頻率用matlab仿真進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)滿足技術(shù)指標(biāo)？YN參數(shù)處理導(dǎo)入CCS，進(jìn)行仿真N滿足技術(shù)指標(biāo)？Y下載運(yùn)行結(jié)束

圖.10 軟件流程圖 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試過程中，首先通過MATLAB仿真，按照競賽要求設(shè)計(jì)20hz-20khz的衰減小于1.5分貝，得到濾波系數(shù)h(n),然后通過ccs進(jìn)行數(shù)字信號處理。首先通過A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后將輸入的信號與h(n)進(jìn)行卷積，得到濾波的信號，本設(shè)計(jì)考慮到實(shí)行性，及穩(wěn)定性采用40階的FIR濾波器。在調(diào)試的過程中，遇到的問題很多，如實(shí)時(shí)性，首先用80階的FIR,不能完成實(shí)時(shí)性，后來，通過調(diào)試改為40階FIR濾波器。D類功放的測試分控制電路部分、功率主回路部分及系統(tǒng)總體測試。首先完成了，D類功放主回路的調(diào)試與測試，這部分調(diào)試通過后，再調(diào)試控制回路，完成了其中的高速PWM發(fā)生器，PID環(huán)節(jié)。8 設(shè)計(jì)總結(jié)

我們花了兩個(gè)多月的時(shí)間來準(zhǔn)備電子設(shè)計(jì)大賽，從9月2日起，比賽正式開始，到今日為止，整整四天三夜。在這些天的奮斗過程中，大家互相合作，互補(bǔ)不足。俗話說：“三個(gè)臭皮匠，頂個(gè)諸葛亮?！痹谶@四天三夜里，我們集聚了個(gè)人的所長，及時(shí)的完成了我們選的題目。在這次的次賽中，我們對電子制作有了更加濃厚的興趣，對數(shù)字信號處理、數(shù)字均衡、DSP及相關(guān)期間有了更進(jìn)一步的了解，我們再完成任務(wù)的同時(shí)，也鍛煉了我們吃苦耐勞的能力。但，由于初次參加此類比賽，對有些芯片還不是很了解，導(dǎo)致在比賽過程中，在芯片選擇上，花費(fèi)了大量的時(shí)間。這說明我們的準(zhǔn)備工作做的還不是非常到位。

參考文獻(xiàn)

[1]黃智偉.《 全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽系統(tǒng)設(shè)計(jì)》.北京航空航天大學(xué)出版社.2006年； [2]鄒彥.《DSP原理及應(yīng)用》.電子工業(yè)出版社

[3]曾寶國;曾妍.《D 類功率放大器的原理及應(yīng)用》.四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院

[4]符曉玲;姜 波.《基于DSP 的數(shù)字音頻功率放大器的設(shè)計(jì)》.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院

第三篇：高頻功率放大器_課程設(shè)計(jì)報(bào)告

河南理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告書

高頻電子線路課程設(shè)計(jì)報(bào)告

設(shè)計(jì)題目：高頻功率放大器設(shè)計(jì)

專業(yè)班級 電信09-3 學(xué) 號 310908030305 學(xué)生姓名 董一含 指導(dǎo)教師 高 娜 教師評分

2012年6月13日

河南理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告書

摘 要

高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的主要組件，用于發(fā)射機(jī)地末端。本課程設(shè)計(jì)的高頻功率放大器電路由兩極功率放大器組成，第一級為甲類功率放大器，第二級為丙類諧振功率放大器。分別對甲類功率放大器和丙類諧振功率放大器設(shè)計(jì)，通過給定的技術(shù)指標(biāo)要求確定甲類功率放大器和丙類諧振功率放大器設(shè)計(jì)的工作狀態(tài)和計(jì)算出電路中各器件參數(shù)，從而設(shè)計(jì)出完整高頻功率放大器電路，再利用電子設(shè)計(jì)軟件multisim對電路仿真。

關(guān)鍵詞：甲類功率放大器、丙類功率放大器、multisim仿真。

河南理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告書

目 錄 設(shè)計(jì)要求.............................................................................................................................1 1.1 已知條件....................................................................................................................1 1.2 主要技術(shù)參數(shù)............................................................................................................1 1.3 具體要求....................................................................................................................1 2 原理分析.............................................................................................................................2 3 電路設(shè)計(jì).............................................................................................................................3 3.1 電路概要設(shè)計(jì)............................................................................................................3 3.2 丙類功率放大器設(shè)計(jì)................................................................................................3

3.2.1 放大器的工作狀態(tài)............................................................................................3 3.2.2 諧振回路及耦合回路的參數(shù)............................................................................4 3.2.3 基極偏置電路參數(shù)計(jì)算....................................................................................5 3.3 甲類功率放大器設(shè)計(jì)................................................................................................5

3.3.1 電流性能參數(shù)....................................................................................................5 3.3.2 靜態(tài)工作點(diǎn)........................................................................................................6 高頻功率放大器完整電路圖.............................................................................................7 5 電路仿真.............................................................................................................................8 6 設(shè)計(jì)心得...........................................................................................................................10

參考文獻(xiàn)..........................................................................................................................11 設(shè)計(jì)要求

1.1 已知條件

+VCC=+12V,晶體管3DG130的主要參數(shù)為PCM=700mW，ICM=300mA，VCES≤0.6V，hfe≥30，fT≥150MHz，放大器功率增益AP≥6dB。晶體管3DA1的主要參數(shù)為PCM=1W，ICM=750mA，VCES≥1.5V,hfe≥10,fT=70MHz,AP≥13dB。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

輸出功率P0≥500mW，工作中心頻率f0≈5MHz，效率η＞50%，負(fù)載RL=50Ω。

1.3 具體要求

分析高頻功率放大器原理，通過給定的技術(shù)指標(biāo)要求確定甲類功率放大器和丙類諧振功率放大器設(shè)計(jì)的工作狀態(tài)和計(jì)算出電路中各器件參數(shù)，利用電子設(shè)計(jì)工具軟件multisim對電路進(jìn)行仿真測試，分析電路的特性。原理分析

高頻功率放大器用于發(fā)射機(jī)的末級，作用是將高頻已調(diào)波信號進(jìn)行功率放大，以滿足發(fā)送功率的要求，然后經(jīng)過天線將其輻射到空間，保證在一定區(qū)域內(nèi) 的接收機(jī)可以接收到滿意的信號電平，并且不干擾相鄰信道的通信。高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件。按其工作頻帶的寬窄劃 分為窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器兩種，窄帶高頻功率放大器 通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作為輸出回路，故又稱為調(diào)諧功率放大 器或諧振功率放大器。利用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路的功率放大器稱為諧振功率放大器，這是無線電發(fā)射機(jī)中的重要組成部分。根據(jù)放大器電流導(dǎo)通角θ的范圍可分為甲類、乙類、丙類及丁類等不同類型的功率放大器。電流導(dǎo)通角θ愈小，放大器的效率η愈高。如甲類功放的θ=180，效率η最高也只能達(dá)到50%，而丙類功放的θ< 90o，效率η可達(dá)到80%，甲類功率放大器適合作為中間級或輸出功率較小的末級功率放大器。丙類功率放大器通常作為末級功放以獲得較大的輸出功率和較高的效率。圖1為丙類諧振功率放大器。

圖 1 丙類諧振功率放大器 電路設(shè)計(jì)

3.1 電路概要設(shè)計(jì)

本課程設(shè)計(jì)的高頻功率放大器由兩級功率放大器組成的高頻功率放大器電路，其中VT1 組成甲類功率放大器，晶體管VT2 組成丙類諧振功率放大器。從輸出功率P0≥500mW來看，末級功放可以采用甲類或乙類或丙類功率放大器，但要求總效率η＞50%，顯然不能只用一級甲類功放，但可以只用一級丙類功放。本課程設(shè)計(jì)采用的電路甲類功放選用晶體管3DG130,丙類功放選用3DA1。首先設(shè)計(jì)丙類功率放大器，再設(shè)計(jì)甲類功率放大器。

3.2 丙類功率放大器設(shè)計(jì)

3.2.1 放大器的工作狀態(tài)

為獲得較高的效率η及最大輸出功率P0。放大器的工作狀態(tài)選為臨界狀態(tài)，取，得諧振回路的最佳負(fù)載電阻Re為

為，集電極基波電流振幅，集電極電流脈沖的最大值Icm及）其直流分量Ic0，即 Icm= Ic1m / α1（=216mA，Ic0= Icm ·α0（）=54mA。

電源供給的直流功率PD為： PD=VCCIc0=0.65W。集電極的耗散功率PC'為： PC'=PD-P0=0.15W。放大器的轉(zhuǎn)換效率η為：η=P0/PD=77%。

若設(shè)本級功率增益AP=13dB（20倍），輸入功率Pi為Pi=P0/AP=25mW，基極余弦脈沖電流的最大值為Ibm（設(shè)晶體管3DA1的直流β=10）Ibm=Icm/β=21.6mA，基極基波電流的振幅Ib1m 為Ib1m=Ib1mα1(為。)=9.5mA，輸入電壓的振幅Vbm3.2.2 諧振回路及耦合回路的參數(shù)

在諧振功率放大器中，為滿足結(jié)它的輸出功率和效率的要求，并有較高的功率增益，除正選擇放大器的工作狀態(tài)外，還必須正確設(shè)計(jì)輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)在諧振功率放大器中的連接情況如圖2所示。無論是輸入匹配網(wǎng)絡(luò)還是輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，它們都具有傳輸有用信號的作用，故又稱為耦合電路。對于輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，在求它具有濾波和阻抗變換功能，即濾除各次分量，使負(fù)載上只有基波電壓；將外接負(fù)載RL 變換成諧振功放所要求的負(fù)載電阻R，以保證放大器輸出所需的功率。因此，匹配網(wǎng)絡(luò)也稱濾波匹配網(wǎng)絡(luò)。對于輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，要求它把放大器的輸入阻抗變換為前級信號源所需的負(fù)載阻抗，使電路能從前級信號源獲得盡可能大的激勵(lì)功率。

圖 2丙類諧振功率放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)

丙類功放的輸入輸出耦合回路均為高頻變壓器耦合方式，其輸入阻抗|Zi|可計(jì)算，輸出變壓器線圈匝數(shù)比為，取N3=2,N1=3。若取集電極并聯(lián)諧振回路的電容C=100pF，得回路電感為若采用的。的NXO-100鐵氧體磁環(huán)來繞制輸出耦合變壓器，可以計(jì)算變壓器一次線圈的總匝數(shù)N2，即由可得N2≈8。需要指出的是，變壓器的匝數(shù)N1、N2、N3的計(jì)算值只能作為參考值，由于電路高頻工作時(shí)分布參數(shù)的影響，與設(shè)計(jì)值可能相差較大。為調(diào)整方便，通常采用磁心位置可調(diào)節(jié)的高頻變壓器。

3.2.3

基極偏置電路參數(shù)計(jì)算

基極直流偏置電壓VB為

射極電阻RE2為 RE2=|VB|/ICO=20Ω。

取高頻旁路電容CE2=0.01μF。

3.3 甲類功率放大器設(shè)計(jì)

3.3.1 電流性能參數(shù)

由丙類功率放大器的計(jì)算結(jié)果可得甲類功率放大器的輸出功率PO'應(yīng)等于丙類功放的輸入功率Pi，輸出負(fù)載Re'應(yīng)等于丙類功放的輸入阻抗|Zi|，即PO'=Pi=25mW,Re'=|Zi|=86Ω。集電極的輸出功率P0為(若取變壓器效率ηT=0.8)P0=PO'/ηT≈31mW。

若取放大器的靜態(tài)電流ICQ=Icm=7mA，得集電極電壓的振幅Vcm及最佳負(fù)載電阻Re分別為 Vcm=2P0/Icm=8.9V，因射極直流負(fù)反饋電阻RE1為

。，取標(biāo)稱值360Ω，得輸出變壓器匝數(shù)比為 匝數(shù)N1=6。，若取二次側(cè)匝數(shù)N2=2，則一次側(cè) 本級功放采用3DG12晶體管，設(shè)β=30，若取功率增益AP=13dB（20倍），則輸入功率Pi為 Pi=P0/AP=1.55mW，得放大器的輸入阻抗Ri為

Ri≈rb'b+βR3=25Ω+30×R3 若取交流負(fù)反饋電阻R3=10Ω則Ri=335Ω，得本級輸入電壓的振幅Vim為。

3.3.2 靜態(tài)工作點(diǎn)

由上述計(jì)算結(jié)果得到靜態(tài)時(shí)(Vi=0)晶體管的射極電位VEQ為VEQ=ICQRE1=2.5V，則VBQ=VEQ+0.7V=3.2V，IBQ=ICQ/β=0.23mA，若取基極偏置電路的電流I1=5IBQ，則R2=VBQ/5IBQ=2.8kΩ，取標(biāo)稱值3kΩ。

在實(shí)驗(yàn)時(shí)可以調(diào)整時(shí)取R1=5.1kΩ+10kΩ電位器。取高頻旁路電容CE1=0.022μF，輸入耦合電容C1=0.02μF。

高頻電路的電源去耦濾波網(wǎng)絡(luò)通常采用π形C1=0.002μFLC低通濾波器，L10,L20可按經(jīng)驗(yàn)取50~100μH，C10，C11，C20，C21按經(jīng)驗(yàn)取0.01μF。L10,L20可以采用色碼電感，也可以用環(huán)形磁心繞制。高頻功率放大器完整電路圖

將上述設(shè)計(jì)計(jì)算的元件參數(shù)按照圖所示電路進(jìn)行安裝，然后再逐級進(jìn)行調(diào)整。最好是安裝一級調(diào)整一級，然后兩級進(jìn)行級聯(lián)。所示可先安裝第一級甲類功率放大器，并測量調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)使其基本滿足設(shè)計(jì)要求，如測得VBQ=2.8V,VEQ=2.2V，則ICQ=6mA。再安裝第二級丙類功率放大器。測得晶體管3DA1的靜態(tài)時(shí)基極偏置VBE=0。

圖所示3為完整的高頻功率放大器電路圖。第一級為甲類功率放大器，第二級為丙類諧振功率放大器。

圖 3完整的高頻功率放大器電路圖 電路仿真

利用電子設(shè)計(jì)軟件multisim對電路仿真，根據(jù)圖3高頻功率放大器電路圖在軟件multisim中繪制出仿真電路圖，如圖4所示。

圖 4高頻功率放大器仿真電路圖

對電路進(jìn)行仿真測試高頻放大器的放大效果，在輸入端輸入1KHZ的正弦波信號，由仿真電路圖在仿真示波器選擇B通道觀察輸入的1KHZ的正弦波信號，如圖5所示，輸入電壓Vi=326mV。

圖 5 1KHZ的正弦波信號

再觀察仿真示波器A通道的波形，即經(jīng)高頻功率放大器放大的信號波形，如圖6所示，由仿真示波器可得輸出電壓Vo=2.282V。放大增益A=Vo/Vi=2282mV/326mV =7, 20LgA=20Lg7=16.9dB,故由Multism仿真測得設(shè)計(jì)的高頻功率放大器的電壓放大增益Av=16.9dB。

圖 6高頻功率放大器放大后的信號 設(shè)計(jì)心得

高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的主要組件,經(jīng)過一周的對高頻功率放大器電路的設(shè)計(jì)使我對高頻電路課程有了更深一步的了解，課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實(shí)際問題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。此次的高頻課設(shè)，不僅讓我加深了對電子電路理論知識的理解，還加強(qiáng)和同學(xué)交流溝通的能力，在設(shè)計(jì)電路時(shí)和同組成員共同討論解決問題，同時(shí)設(shè)計(jì)出的電路經(jīng)過Multisim軟件仿真達(dá)到預(yù)期的放大效果，不僅讓小組所有成員共同獲得努力后成功的欣喜，而且了解了Multism軟件的使用。種種在此次學(xué)習(xí)到的知識或是能力必將有用于之后的學(xué)習(xí)或是將來的工作，這也是此次課程設(shè)計(jì)的目的所在。

參考文獻(xiàn)

[1]張肅文.高頻電子線路（第四版）[M].北京：高等教育出版社,2004 [2]張肅文.高頻電子線路（第五版）[M].北京：高等教育出版社,2009 [3]曾興雯，劉乃安，陳健.高頻電路原理與分析（第四版），西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2006 [4]楊霓清.高頻電子線路實(shí)驗(yàn)及綜合設(shè)計(jì)[M］．機(jī)械工業(yè)出版社,2009 [5]鈴木憲次(日).高頻電路設(shè)計(jì)與制作[M］．科學(xué)出版社,2005

第四篇：低頻功率放大器課程設(shè)計(jì)報(bào)告

《電路與模擬電子技術(shù)》

課程設(shè)計(jì)報(bào)告

低頻功率放大器

一、摘要

低頻功率放大器的主要應(yīng)用是對音頻信號進(jìn)行功率放大，本文介紹了具有弱信號放大能力的低頻功率放大器的基本原理、內(nèi)容、技術(shù)路線。整個(gè)電路主要分為穩(wěn)壓電源、前置放大器、功率放大器、波形變換電路共4 部分。穩(wěn)壓電源主要是為前置放大器、功率放大器提供穩(wěn)定的直流電源。前置放大器主要是實(shí)現(xiàn)電壓的放大。功率放大器實(shí)現(xiàn)電流、電壓的放大。波形變換電路是將正弦信號變換成規(guī)定要求的方波信號。設(shè)計(jì)的電路結(jié)構(gòu)簡潔、實(shí)用，充分利用到了集成功放的優(yōu)良性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該功率放大器在帶寬、失真度、效率等方面具有較好的指標(biāo)、較高的實(shí)用性,為功率放大器的設(shè)計(jì)提供了廣闊的思路。

二、關(guān)鍵字

前置放大級電路

功率放大

穩(wěn)壓電源電路

波轉(zhuǎn)換電路

三、總體設(shè)計(jì)方案論證及選擇

根據(jù)課設(shè)要求, 我們所設(shè)計(jì)的低頻功率放大器應(yīng)由以下幾個(gè)部分組成：穩(wěn)壓電路、前置放大、功率放大以及波形變換電路。下面對每個(gè)單元電路分別進(jìn)行論證：

前置放大級：

設(shè)計(jì)要求前置放大輸入交流接到地時(shí)，RL=8?的電阻負(fù)載上的交流噪聲功率低于10mw因此要選用低噪音運(yùn)放。本裝置選用的優(yōu)質(zhì)低噪音運(yùn)放NE5532AI。設(shè)計(jì)要求輸入電壓幅度為5~700mV時(shí)，輸出都能以Po≥10W滿功率不失真輸出，信號需放大幾千倍，有考慮到運(yùn)放的放大倍數(shù)與通頻帶的關(guān)系，故采用兩級放大，增益調(diào)節(jié)可用電位器手動(dòng)調(diào)節(jié)，也可用自動(dòng)增益控制，但考慮到題目中的“使用”倆字（例如輸入信號不是正弦信號，而是大動(dòng)態(tài)音樂信號），本裝置采用手動(dòng)增益調(diào)節(jié)。

功率放大級：

根據(jù)設(shè)計(jì)題目要求，在供原則的功率放大可由分立元件組成，也可由集成電路完成。由分立元件組成的功放，如果電路選擇好，參數(shù)恰當(dāng)，元件性能優(yōu)越，且制作和調(diào)試的號，則性能很可能高過較好的集成功效。許多優(yōu)質(zhì)功放是分立功放。但其中有一個(gè)元件出現(xiàn)問題或是搭配不當(dāng)，則性能很可能低于一般集成功放，為了不至于因過載，過流，過熱等損壞還得加復(fù)雜的保護(hù)電路。

現(xiàn)在市場上也有很多性能優(yōu)越的集成功放芯片，如TDA2040A,LM1875，TDA1514等。集成功放具有工作可靠，外圍電路簡單，保護(hù)功能較完善，易制作易調(diào)試等特點(diǎn)，雖不及頂級功放的性能，但滿足并超過本設(shè)計(jì)的要求問題的。

綜上所述，考慮時(shí)間緊，在滿足要求的前提下，選擇易調(diào)試的集成功放。

我們熟悉的集成功放有TDA2040A，LM1875，TDA1514等，其中TDA2040A功率量不大，TDA1514外圍電路較復(fù)雜，且易自激。這兩種功放的低頻率特征都欠佳，LM1875外圍電路簡單，電路熟悉，低頻特性好，保護(hù)功能齊全。它的不足之處是高頻特性較差（BW<=70KHz），但對于本設(shè)計(jì)要求的50Hz~10KHz已足夠，因此選用LM1875作功放。

波形變換電路：

直接采用施密特觸發(fā)器進(jìn)行變換與整形。而施密特電路可用高精度、高速運(yùn)算電路搭接而成，也可采用專用施密特觸發(fā)器構(gòu)成，還可以選用NE5532P電路構(gòu)成。

通過比較，本課程設(shè)計(jì)中施密特電路采用高精度、高速運(yùn)算放大器LF357構(gòu)成。

自制穩(wěn)壓電源：

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用三端集成穩(wěn)壓電源電路，選用LM7815、LM7915三端集成穩(wěn)壓器。

四、設(shè)計(jì)方案的原理框圖

圖1 總體設(shè)計(jì)

放大通道正弦信號外供正弦信號源弱信號前置放大級變換電路正、負(fù)極性對稱方波 自制直流穩(wěn)壓電源功率放大級RL=8Ω~220V50Hz

五、總體電路圖、接線圖及說明 XFG101C210uF2V318 V 683XDA1THDU2A1C458U3B710uF9R5850%050kΩKey=AXSC1Ext Trig+_A+_B+_10NE5532AI746R21MΩ0R415kΩR31kΩ4C347uF0R61MΩ14110R71kΩ12C547uF004NE5532AIR822kΩR9V4-18 V 1350%050kΩKey=A150

圖2 前置放大電路

說明：前置放大由兩級NE5532典型應(yīng)用電路組成，各級均采用固定增益輸出衰減組成。要求當(dāng)各級輸出不衰減，輸入Vp=5mV時(shí)，輸出Va.pp>=2.53V。

0V218 V 5XFG1514C5220uFU10C3100nFD11N400797+XSC1Ext Trig+_A_+B_8C710uF3R1100kΩ023LM1875T2R320kΩ6V1-18 V 0C2220uF0C4100nF0R21kΩ4D21N4007R48Ω10C6210uF0C147uF0

圖3 功率放大電路

說明：功率放大器選擇用集成功放LM1875，采用典型電路，此電路中R3，R2組成反饋網(wǎng)絡(luò)，C1為直流反饋電容，R1為輸入接地電阻，防止輸入電路時(shí)引入感應(yīng)噪聲，C7為信號耦合電容，D1，D2為保護(hù)二極管，R4和C6組成退偶電路，防止功放產(chǎn)生高頻自激，C5，C2，C3，C4是電源退耦電容。

六、主要元器件選擇

1）穩(wěn)壓電路中選用LM7815、LM7915三端集成穩(wěn)壓器

2）因?yàn)長F357屬于FET管，具有良好的匹配性能，輸入阻抗高、低噪聲、漂移小、頻帶寬、響應(yīng)快等特點(diǎn)，所以在正弦波一方波轉(zhuǎn)換電路中采用集成運(yùn)放LF357

3）在前置放大級電路中采用集成雙運(yùn)放NE5532,在功率放大級中采用運(yùn)放LM1875。

七、電路參數(shù)計(jì)算

前置放大計(jì)算

對于第一級放大，要求在信號最強(qiáng)時(shí)，輸出不失真，即Vp=700mV時(shí)，輸出Vom<11V(低于電源電壓1V)。所以

A1=Vom/Vp=11/0.7 =15.7 取A1=15.當(dāng)輸入信號最小，即Vpp=10mV，而輸出不衰減時(shí)

V01.pp=A1*Vi.pp=15*10=150mA 第二級放大要求輸出V02.pp>2.53V,考慮到元件誤差的影響，取V02.pp=3V，而輸入信號最小為150mV，則第二級放大倍數(shù)是

A2 = V02.pp/ V01.pp=20 功率放大計(jì)算：

LM1875開環(huán)增益為26dB，即放大倍數(shù) A=20

因?yàn)橐筝敵龅?Ω電阻負(fù)載上的功率P0>10 W。而 Vom=2Rl*P。=12.65V 加上功率管管壓降2V，則

V=Vom=12.65+2=14.65V 取電源電壓為15V

Icm=2P。*Rl=1.518A PV =2V * Icm/? =15.1W

八、Multisim仿真結(jié)果

前置放大

直流穩(wěn)壓

功率放大

波形轉(zhuǎn)換

九、收獲與體會

通過此次課程設(shè)計(jì)鍛煉，我不僅深深體會到理論知識與實(shí)踐結(jié)合的不易，還深入了解并學(xué)會了一種簡單實(shí)用、成本低的低頻功率放大器的電路設(shè)計(jì)方法。課設(shè)過程中為了讓自己的設(shè)計(jì)更加完善，更加符合工藝標(biāo)準(zhǔn)，一次次翻閱熱處理方面的書籍是十分必要的，同時(shí)也是必不可少的。通過這次課程設(shè)計(jì)我也發(fā)現(xiàn)了自身存在的不足之處，雖然感覺理論上已經(jīng)掌握，但在運(yùn)用到實(shí)踐的過程中仍有意想不到的困惑，經(jīng)過一番努力才得以解決。我懂得了學(xué)習(xí)的重要性，了解到理論知識與實(shí)踐相結(jié)合的重要意義。

十、參考文獻(xiàn)

[1] 胡翔駿 電路分析(第二版)北京：高等教育出版社 2007 [2] 華成英、童詩白 模擬電子學(xué)基礎(chǔ)（第四版）北京：高等教育出版社 2006 [3] 黃智偉 全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽系統(tǒng)設(shè)計(jì) 北京：北京航空航天大學(xué)出版社 2006 [4] 夏路易、石宗義 電路原理圖與電路板設(shè)計(jì)教程 北京希望電子出版社 2002 [5] 谷麗華、辛?xí)詫?、么旭東 實(shí)用低頻功率放大器的設(shè)計(jì) 沈陽化工學(xué)院學(xué)報(bào) [6] 高玉良 電路與模擬電子技術(shù) 北京高等教育出版社

十一、附件

XSC3V120 Vrms 60 Hz 0° A+_BExt Trig+_+_D91N5402U1LM7815CTC7330nF5C810uFD11N5402D31N5402D21N5402D4C11N5402100nF03R1C31kΩ2.2mFC22.2mF0IC=35VIC=35VXSC1Ext Trig+D51N5402D71N54028D6+_A_B+_91N5402D8C41N5402100nFR21kΩC5D1001N5402C6132.2mFIC=35VU2LM7915CT002.2mFIC=35VXSC2Ext Trig+_11C1010uFC9330nF00A+_+B_0 圖2

直流穩(wěn)壓電路

說明：直流穩(wěn)壓電源部分為整個(gè)功放電路提供能量，根據(jù)設(shè)計(jì)的前置放大級電路和功率放大級電路的要求，僅需要穩(wěn)壓電源輸出的一種直流電壓即+15V。因三端穩(wěn)壓器具有結(jié)構(gòu)簡單、外圍元器件少、性能優(yōu)良、調(diào)試方便等顯著優(yōu)點(diǎn)，故本設(shè)計(jì)中采用三端穩(wěn)壓電路。兩組獨(dú)立的20V交流，經(jīng)過橋堆整流，大電容濾波，再加0.1uF小電容濾掉電源中的高頻分量?？紤]到制作過程中電源空載時(shí)的電容放電可在輸出電容并上1K大功率電阻。另外還要給7815，7915來獲得+15V、萬一輸入端短路，大電容放電會使穩(wěn)壓塊由于反電流沖擊而損壞，加兩個(gè)二極管可使反相電流流向輸入端起保護(hù)作用。

V260V140XSC11R410kΩ2D21N4728A5R510kΩR6831Ext Trig+3C1818 V U1A330nF1824NE5532PV370C2-18 V 330nFU2A+_AB_+_R310kΩ700mVrms 1000 Hz 0° 30924NE5532P1kΩD1Key=A1N4728A050% 圖5 波形變換電路（NE5532P）

說明：將1KHZ的正弦波變?yōu)橥l率的對稱方波。因LF357屬于FET管，具有良好的匹配性能，輸入阻抗高、低噪聲、漂移小、頻帶寬、響應(yīng)快等特點(diǎn)，所以本課程設(shè)計(jì)中施密特電路采用高精度、高速運(yùn)算放大器LF357構(gòu)成，而NE5532運(yùn)放做隔離用。

第五篇：高頻功率放大器實(shí)訓(xùn)報(bào)告

《高頻電子線路》實(shí)訓(xùn)報(bào)告

題目：高頻諧振功率放大器的性能研究

設(shè)計(jì)過程：

1．高頻功率放大器簡介

高頻功率放大器和低頻功率放大器的共同特點(diǎn)都是輸出功率大和效率高，但二者的工作頻率和相對頻帶寬度卻相差很大，決定了他們之間有著本質(zhì)的區(qū)別。低頻功率放大器的工作頻率低，但相對頻帶寬度卻很寬。例如，自20至20000

Hz，高低頻率之比達(dá)1000倍。因此它們都是采用無調(diào)諧負(fù)載，如電阻、變壓器等。高頻功率放大器的工作頻率高（由幾百Hz一直到幾百、幾千甚至幾萬MHz），但相對頻帶很窄。例如，調(diào)幅廣播電臺（535－1605

kHz的頻段范圍）的頻帶寬度為10

kHz，如中心頻率取為1000

kHz，則相對頻寬只相當(dāng)于中心頻率的百分之一。中心頻率越高，則相對頻寬越小。因此，高頻功率放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路。由于這后一特點(diǎn)，使得這兩種放大器所選用的工作狀態(tài)不同：低頻功率放大器可工作于甲類、甲乙類或乙類（限于推挽電路）狀態(tài)；高頻功率放大器則一般都工作于丙類（某些特殊情況可工作于乙類）。

2.高頻功率放大器的分類

高頻功率放大器按其工作頻帶的寬窄劃分為窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器兩種，窄帶高頻功率放大器通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作為輸出回路，故又稱為調(diào)諧功率放大器或諧振功率放大器；寬帶高頻功率放大器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路，因此又稱為非調(diào)諧功率放大器。高頻功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成為高頻交流輸出。

諧振功率放大器的特點(diǎn)：

①放大管是高頻大功率晶體管，能承受高電壓和大電流。

②輸出端負(fù)載回路為調(diào)諧回路，既能完成調(diào)諧選頻功能，又能實(shí)現(xiàn)放大器輸出端負(fù)載的匹配。

③基極偏置電路為晶體管發(fā)射結(jié)提供負(fù)偏壓，使電路工作在丙類狀態(tài)。

④輸入余弦波時(shí)，經(jīng)過放大，集電極輸出電壓是余弦脈沖波形。

3.功率放大器的三種工作狀態(tài)

高頻功率放大器的效率是一個(gè)突出的問題，其效率的高低與放大器的工作狀態(tài)有直接的關(guān)系。放大器件的工作狀態(tài)可分為甲類、乙類、丙類等，提高功率放大器效率的主要途徑是使放大器件工作在乙類、丙類狀態(tài)，但這些工作狀態(tài)下放大器的輸出電流與輸入電壓間存在很嚴(yán)重的非線性失真。低頻功率放大器因其信號的頻率覆蓋系數(shù)很大，不能采用諧振回路作負(fù)載，因此一般工作在甲類狀態(tài)；采用推挽電路時(shí)可以工作在乙類狀態(tài)；高頻功率放大器因其信號的頻率覆蓋系數(shù)小，可以采用諧振回路作負(fù)載，故通常工作在丙類狀態(tài)，通過諧振回路的選頻作用，可以濾除放大器的集電極電流中的諧波成分，選出基波從而消除非線性失真。因此，高頻功率放大器具有比低頻功率放大器更高的效率。

工作狀態(tài)

半導(dǎo)通角

理想效率

負(fù)

載

應(yīng)

用

甲類

qc=180°

50%

電阻

低頻

乙類

qc=90°

78.5%

推挽，回路

低頻，高頻

甲乙類

90°＜qc＜180°

50%＜h＜78.5%

推挽

低頻

丙類

qc＜90°

h＞78.5%

選頻回路

高頻

丁類

開關(guān)狀態(tài)

90%~100%

選頻回路

高頻

表1-1

不同工作狀態(tài)時(shí)放大器的特點(diǎn)

4.放大器電路分析

（1）諧振功放基本電路組成如圖1-2所示為高頻功率放大器的基本電路。為了使高頻功率放大器有高效率地輸出大功率，常常選擇工作在丙類狀態(tài)下工作。我們知道，在一元件（呈電阻性）的耗散功率等于流過該元件的電流和元件兩端電壓的乘積。由圖可知基極直流偏壓VBB

使基極處于反向偏壓的狀態(tài)，對于NPN型管來說，只有在激勵(lì)信號為正值的一段時(shí)間內(nèi)才有集電極電流產(chǎn)生，所以耗散功率很小。

晶體管的作用是在將供電電源的直流能量轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣髂芰康倪^程中起開關(guān)控制作用，諧振回路中LC是晶體管的負(fù)載，電路工作在丙類工作狀態(tài)。

圖1-2

高頻功率放大器基本電路

圖1-2

諧振功率放大器各級電壓和電流波形

（2）集電極電流余弦脈沖分解

當(dāng)晶體管特性曲線理想化后，丙類工作狀態(tài)的集電極電流脈沖是尖頂余弦脈沖。這適用于欠壓或臨界狀態(tài)。

晶體管的內(nèi)部特性為：

ic

=

gc

(eb–VBZ)

它的外部電路關(guān)系式：

eb

=

–VBB

+

Vbmcoswt

ec

=

VCC

–Vcmcoswt

當(dāng)wt=0時(shí)，ic

=

ic

max

因此，ic

max

=

gcVbm(1–cos

qc)

若將尖頂脈沖分解為傅里葉級數(shù)，得

ic

=Ic0+Icm1coswt+Icm2cos2wt+…+Icmncosnwt+…

由傅里葉級數(shù)的求系數(shù)法得

其中

5.諧振功率放大器的動(dòng)態(tài)特性

（1）諧振功放的三種工作狀態(tài)

在非線性諧振功率放大器中，常常根據(jù)集電極是否進(jìn)入飽和區(qū)，將放大區(qū)的工作狀態(tài)分為三種：

①欠壓工作狀態(tài)：集電極最大點(diǎn)電流在臨界線的右方

②過壓工作狀態(tài)：集電極最大點(diǎn)電流進(jìn)入臨界線之左的飽和區(qū)

③臨界工作狀態(tài)：是欠壓和過壓狀態(tài)的分界點(diǎn)，集電極最大點(diǎn)電流正好落在臨界線上。

i

c

i

c

I

m

0

180

°

＜

°

w

t

B

A

C

D

負(fù)載增大

V

CC

Q

V

c

1.欠壓狀態(tài)

2.臨界狀態(tài)

3.過壓狀態(tài)

R

p

V

c

V

c

圖1-3

電壓、電流隨負(fù)載變化波形

（2）諧振功率放大器的外部特性

如果VCC、VBB、Vb

這幾個(gè)參變量不變，則放大器的工作狀態(tài)就由負(fù)載電阻R

決定。此時(shí)，放大器的電流、輸出電壓、功率、效率等隨Rp而變化的特性，就叫做放大器的負(fù)載特性。

①欠壓狀態(tài)：B點(diǎn)以右的區(qū)域。在欠壓區(qū)至臨界點(diǎn)的范圍內(nèi)，根據(jù)Vc=R*

Ic1，放大器的交流輸出電壓在欠壓區(qū)內(nèi)必隨負(fù)載電阻R的增大而增大，其輸出功率、效率的變化也將如此。

②臨界狀態(tài)：負(fù)載線和Eb

max正好相交于臨界線的拐點(diǎn)。放大器工作在臨界線狀態(tài)時(shí)，輸出功率大，管子損

耗小，放大器的效率也就較大。所以，高頻諧振功率放大器一般工作于這個(gè)狀態(tài)。

③過壓狀態(tài)：放大器的負(fù)載較大，在過壓區(qū)，隨著負(fù)載Rp的加大，Ic1要下降，因此放大器的輸出功率和效率也要減小。

R

Recr

IC1m

VC1m

IC0

欠壓

過壓

圖1-4

諧振放大器的負(fù)載特性

集電極調(diào)制特性是指VBB、Vbm和R一定，放大器性能隨VCC變化的特性。如圖2-6所示。由于VBB和Vbm一定，也就是VBEmax和IC脈沖寬度一定，因而對應(yīng)于VCEmin的動(dòng)態(tài)點(diǎn)必定在VBE＝VBEmax的那條特性曲線上移動(dòng)；當(dāng)VCC由大減小時(shí)，相應(yīng)的VCEmin也由大減小，放大器的工作狀態(tài)將由欠壓進(jìn)入過壓，IC波形也將由接近余弦變化的脈沖波變?yōu)橹虚g凹陷的脈沖波。

VC1m

Ic1m

Ic0

過壓

臨界

欠壓

過壓

臨界

欠壓

VCC

VCC

h

P1

P0

圖1-5

諧振放大器的集電極調(diào)制特性

基極調(diào)制特性是指VCC、Vbm和R一定，放大器性能隨VBB變化的特性。如圖2-7所示。當(dāng)Vbm一定，VBB自負(fù)值向正方向增大，集電極電流脈沖不僅寬度增大，而且還因VBEmax增大而使其高度增加，因而IC0和IC1m（相應(yīng)的Vcm）增大，結(jié)果使VCEmin減小，放大器由欠壓進(jìn)入過壓狀態(tài)。

放大特性是指VBB、VCC和R一定，放大器性能隨Vbm變化的特性，如圖2-8所示。固定VBB、增大Vbm和上述固定Vbm、增大VBB的情況類似，它們都使集電極電流脈沖的寬度和高度增大，放大器的工作狀態(tài)有欠壓進(jìn)入過壓；進(jìn)入過壓后，隨著Vbm的增大，集電極的電流脈沖出現(xiàn)中間凹陷，且高度和寬度增加，凹陷加深。

VC1M

IC1M

IC0

h

P0

P1

欠壓

臨界

過壓

欠壓

臨界

過壓

Vbm

Vbm

圖1-6

諧振放大器的放大特性

6.電路的設(shè)計(jì)

（1）丙類功率放大器的設(shè)計(jì)

因?yàn)橐螳@得的效率>60%，放大器的工作狀態(tài)采用臨界狀態(tài)，取=70°,所以諧振回路的最佳電阻為

=551.25Ω

集電極基波電流振幅

≈0.019A

集電極電流最大值為

=0.019/0.436=43.578mA

其直流分量為

=*=43.578*0.253=11.025mA

電源供給的直流功率為

PD=Ucc*Ico=132.3mW

集電極損耗功率為

P=

PD

–

PC

=32.3mW

轉(zhuǎn)換效率為

η=

PC

/

PD

=100/132.3=75.6%

當(dāng)本級增益=13dB即20倍放大倍數(shù)，晶體管的直流β=10時(shí)，有：

輸入功率為

P1=P0/AP=5mW

基極余弦電流最大值為

IBM

=

ICM

/β

≈

4.36Ma

基極基波電流振幅

=4.360.436=1.9mA

所以輸出電壓的振幅為

UBM

=2

P1/

IB1M≈5.3V

（2）諧振回路和耦合回路參數(shù)計(jì)算

丙類功放輸入、輸出回路均為高頻變壓器耦合方式，其中基極體電阻Rbb<25Ω,則輸入阻抗

≈87.1Ω

則輸出變壓器線圈匝數(shù)比為

≈6.4

在這里，我們假設(shè)取N3=13和N1=2，若取集電極并聯(lián)諧振回路的電容為C=100pF，則

≈7.036μH

采用Φ10mm×Φ6mm×5mm磁環(huán)來繞制輸出變壓器，因?yàn)橛?/p>

其中

μ=100H/m,A=,=25mm,L

=7.036μH

所以計(jì)算得N2=7

仿真結(jié)果：

（1）

multisim仿真高頻諧振功率放大電路原理圖

圖1-7高頻諧振功率放大器仿真電路圖

（2）

仿真示波器測得輸入與輸出信號電壓波形

用高頻信號源提供2MHz的輸入信號，幅度在1V左右，觀測到放大后的不失真的輸入信號。當(dāng)輸出信號幅度最大，失真最小時(shí)，認(rèn)為功放已經(jīng)調(diào)諧了。

圖1-8調(diào)諧波