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基于mos管功率放大器的设计


宋艳丽,宋武 (黄冈职业技术学院机电工程系,湖北 1 系统设计 黄冈 438000)

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 2.1

硬件电路设计 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。 AD1674 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 A1674 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。 7 为液晶显示电路的连接图。 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。


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