基于实用低频功率放大器的设计

1 系统设计

本系统采用小体积MSP430单片机为控制芯片，并用INA128构成的放大电路。末级采用IRF9540和IRF540两个MOS管实现功率放大。电路实现简单，功耗低，性价比很高。该电路由电路稳压电源模块、带阻滤波模块、电压放大模块、功率放大模块、AD转换模块以及液晶显示模块组成，图1所示是其组成框图。电路稳压电源模块为系统提供能量；带阻滤波电路要实现50Hz频率点输出功率衰减；电压放大模块采用两级放大来将小信号放大，以便为功率放大提供足够电压；功率放大模块主要提高负载能力；AD转换模块便于单片机信号采集；显示模块则实时显示功率和整机效率。

2 硬件电路设计

2.1 带阻滤波电路的设计

采用OP07组成的二阶带阻滤波器的阻带范围为40～60 Hz，其电路如图2所示。带阻滤波器的性能参数有中心频率ω0或f0，带宽BW和品质因数Q。Q值越高，阻带越窄，陷波效果越好。

2.2 放大电路的设计

电压放大电路可选用两个INA128芯片来对微弱信号进行放大。若采用一级放大，当放大倍数较大时，电路可能不稳定，故应采用两级放大，并在级间采用电容耦合电路，图3所示是其电路图。图中，INA128具有低失调电压漂移和低噪声等性能指标，且放大倍数设置简单，只用一个外部电阻就能改变放大倍数。图3中1、8脚跨接的电阻就是用来调整放大倍率，4、7脚需提供正负相等的工作电压，2、3脚输入要放大的电压，并从6脚输出放大的电压值。5脚则是参考基准，如果接地，则6脚的输出即为与地之间的相对电压。

2.3 功率放大电路的设计

功率放大电路往往要求其驱动负载的能力较强，从能量控制和转换的角度来看，功率放大电路与其它放大电路在本质上没有根本的区别，只是功放既不是单纯追求输出高电压，也不是单纯追求输出大电流，而是追求在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。

本电路采用两个MOS管构成的功率放大电路，其电路如图4所示。此电路分别采用一个N沟道和一个P沟道场效应管对接而成，其中RP2和RP3为偏置电阻，用来调节电路的静态工作点。特征频率fT放大电路上限频率fH的关系为：fT≈fhβh，系统阶跃相应的上升时间tr与放大电路上限频率的关系为：trfh=0.35。

对于OCL放大器来说，一般有：PTM≈0.2POM，其中PIM为单管的最大管耗，POM为最大不失真输出管耗。根据计算，并考虑到项目要求，本设计选用IRF950和IRF50来实现功率放大。

2.4 AD转换电路的设计

此工作可由单片机内部的10位AD转换器完成，但实验发现，单片机的10位AD芯片的处理效果不是很好。因此本设计采用了两个AD转换芯片来对负载输出的信号进行转换，并使用单片机控制计算，然后送入液晶显示其功率和效率。

AD1是一片高速12位逐次比较型A／D转换器，该芯片内置双极性电路构成的混合集成转换器，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并具有自动校零和自动极性转换功能，故只需外接少量的电阻和电容元件即可构成一个完整的A／D转换器。AD8326是TI公司推出的16位高速模数转换器，其转换速度快，线性度好，精度高。AD8326和A1的电路连接图分别如图5和图6所示。

2.5 显示电路

本电路采用12864液晶来实时显示输出的功率、直流电源供给的功率和整机效率。该液晶具有屏幕反应速度快、对比度高、功耗低等优点。可以实现友好的人机交互。为了简化电路，本设计采用串口连接。并在单片机的控制下，按照要求的格式显示接收到的数据和字符信息。图7为液晶显示电路的连接图。其中D0～D7为数据口，R／W为液晶读写信号，E是使能端。

3 系统软件设计

由于本系统是低频正弦信号的功率放大，要求能测量并显示输出功率、整机效率等信息，所以要用到AD转换。AD芯片测量的交流信号，所以，测量的电压数据进行比较，以获得最大电压值，此值即为正弦信号的最大值。而要想得到正弦信号的有效值，就要对最大值进行处理，从而获得有效值。这样，就可以将电源的输出功率和供给功率，根据欧姆定律计算出其数值，并将测得的数据用液晶适时的显示出来。

因此，本系统软件实现的功能应当可以实现对正弦信号有效值的测量；同时能够通过液晶准确显示输出功率和系统供给功率和整机效率。

图8所示是本系统软件的设计流程图。

4 结束语

本设计的低频功率放大器，可实现项目的基本要求，经过测试，当输入正弦波信号电压有效值为5 mV时，而且其输出功率大于5 W，其功率放大器的整机效率也比较高。