一、功能完善的低音炮功率放大器设计

　　以往往，超过50W的大功率放大器一般都是采用分立元件来制作。包括近期由日本YAMAHA和SONY等世界著名公司生产的低音炮有源音箱，也都是采用分立元件来设计电路，无可否认，用分立元件制作的功率放大器可达到比较高的性能指标，但其制作成功的难度也比较大，普通业余爱好都多数难以完成。为此，该功率放大器是采用一种集成功放IC与线性运放IC制作的功放性能指标，而且具有完善的保护功能，很适合音响爱好都自己制作。

　　电路原理：

　　二、一种可编程宽带放大器的设计

　　随着微电子技术的发展，宽带放大器在科研中具有重要作用。宽带运算放大器广泛应用于A／D转换器、D／A 转换器、有源滤波器、波形发生器、视频放大器等电路。这些电路要求运算放大器具有较高的频带宽度，电压增值。为此，以可编程增益放大器THS7001和可变增益放大器AD603为核心，设计一种可编程宽带运算放大器。该电路增益调节范围为-6～70 dB，步进间距为6dB，AGC为60 dB，-3 dB通频带为40 Hz～15MHz。矩阵键盘设置增益值、步进，点阵液晶显示实时电压有效值，人机界面友好，操作简单方便。

　　2 系统总体设计方案

　　该系统主要由可控增益放大器、功率放大与峰值检波、单片机显示和控制3大模块组成。其中可变增益放大器以THS7001和AD603为核心。单片机控制THS7001实现增益粗调，并通过D／A转换控制AD603实现增益细调，从而使总增益在- 6～70 dB的宽频带范围内线性变化。前置放大器采用由宽带电压型反馈运放THS4011构成的射极跟随器，可有效提高输入电阻；后级功率放大器采用电流型反馈运放AD811，提高系统带负载能力。由二极管峰值检波电路测量峰值，并通过A／D转换、D／A转换实现自动增益控制。通过键盘手动预置增益值，LCD实时显示预置增益值并输出有效值。其系统总体设计框图如图1所示。

　　3 器件选型及理论分析

　　3．1 输入级电路运放选型

　　由于该电路噪声主要取决于第一级放大器。所以选择第一级运放成为决定噪声大小的关键。电压反馈型（VFB）运算放大器具有同相和反向输人端阻抗基本相同（均为高阻），低噪声，更好的直流特性，增益带宽积为常数。反馈电阻的取值自由等特点：而电流反馈型（CFB）运算放大器则具有同相输入端为高阻阻，反向输入端为低阻抗，带宽不受增益影响，压摆率更快，反馈电阻的取值有限制等特点。由此看出，CFB放大器适用于那些需要压摆率快、低失真和可设置增益而不影响带宽的电路；而VFB放大器则适用于那些需要低调电压、低噪声的电路。因此选用电压反馈型运放THS4011作为前级输入。THS4011是一款高速低噪声运算放大器，其带宽为290 MHz，压摆率为310 V／μs，输入噪声为

　　4．2 峰值检波电路

　　峰值检波电路由二极管电路和电压跟随器组成。其工作原理：当输入电压正半周通过时，检波管 VU2导通，对电容C1、C2充电，直到到达峰值。三极管的基极由FPGA控制，产生1Oμs的高电平使电容放电，以减少前一频率测量对后一频率测量的影响，提高幅值测量精度。其中Vu1为常导通，以补偿VU2上造成的压降。适当选择电容值，使得电容放电速度大于充电速度，这样电容两端的电压可保持在最大电压处，从而实现峰值检波。

　　该电路能够检测宽范围信号频率，较低的被测信号频率，检波纹波较大，但通过增加小电容和大电容并联构成的电容池可滤除纹波。而后级隔离，则增加由OPA277构成的射极跟随器，如图3所示。

　　5 系统软件设计

　　5．1 程序部分设计

　　系统软件设计遵循结构化和层次化原则，由一个主程序及若干子程序构成。主程序通过调用子程序控制子程序间的时序，从而使整个程序正常运行。系统软件设计部分由单片机和FPGA组成。单片机主要完成读取键值、控制增益和显示功能。而FPGA则作为总线控制器，管理键盘、液晶和A／D转换器与单片机之间的数据交换。以Ouartus II 7．2为设计环境，用Verilog HDL硬件描述语言编程，完成各功能模块的设计，并仿真测试设计好的各个模块，再将各个模块相互连接。程序以按键中断为主线，以各项功能为分支，图4为程序流程。

　　5．2 FPGA部分设计

　　FPGA主要完成A／D、D／A转换器的串并转换。采用12位D／A转换器TLV5618，该器件是串行接口，大大节约系统端口资源，但MCU的P0、 P2端口是并行口，与串行器件的时序匹配较复杂，用静态口P1端口模拟串行口时序又会占用MCU很多处理时间，影响系统效率。

　　为使MCU对串行器件操作简单，把串行时序在FPGA中用状态机描述，同时该控制状态机又对MCU提供P0口、CS、WR的微机标准时序接口形式，这样MCU只需选中相应地址，就可写入所要得到的电压数据，状态机会完成串并转换。

　　以串行接口时序将数据写入器件并锁存，与写IO端口操作一样简单方便，而D／A转换器模块的输出端既可得到相应输出电压，又达到控制增益的目的。

　　AGC部分采用循环结构，将A／D转换采样得到的数据与预设值循环相比较，再通过D／A转换控制增益倍数，从而实现自动增益控制。

　　6 测试方案及测试数据

　　该系统使用专门的测试仪器，包括单片机仿真器、双踪示波器、PC机、多功能函数信号发生器和交流电压表等。调节输入信号的幅值和频率，结合示波器，测试宽带放大器的增益范围以及通频带。测试结果表明，宽带放大器总增益调节范围为-6～70 dB。-3 dB通频带为40 Hz～15 MHz。将输入信号频率同定，改变输入电压幅值。记录输入电压和输出电压的最大值和最小值。结果表明，AGC动态范围大于60 dB。将输入端短接，设置不同的电压放大倍数，测量输出电压。结果表明，输出电压噪声小于300 mV。

　　7 结束语

　　宽带放大器以可编程增益放大器THS7001和可变增益放大器AD603为核心，利用数字技术实现增益的步进和预置。总增益范围为-6～70 dB，通频带为40．Hz～15 MHz，AGC动态范围达到60 dB。前置放大器采用低噪声电压反馈型运放THS4011，大大提高输人电阻。后级功率放大采用电流型反馈运放AD811，有效提高系统的带负载能力。系统采用多种抗干扰措施，并结合软件修正，实现较高的精度，具有良好的噪声，线性性能以及较低的功耗。系统界面友好，操作简单，经测试已投入应用。

　　三、5V单电源供电的宽带放大器的设计

　　本设计实现了一个5 V单电源供电的宽带放大器基本功能。核心部分采用高速运算放大器OPA820ID作为一级放大电路，THS3091D作为末级放大电路，利用DC-DC交换器TPS61087DRC为末级放大电路供电，在输出负载50 Ω上实现电压增益等于40 dB。该放大器通频带范围10 Hz～10 MHz，系统最终可利用示波器测量输出电压的峰峰值和有效值，并利用MSP430单片机控制1602液晶显示输出数据的功能。整个系统结构简单，而且综合应用了电容去耦、滤波等抗干扰措施以减少放大器噪声并抑制高频自激。经验证，本方案完成了设计要求和部分扩展功能。

　　1 方案论证与系统设计

　　1.1 方案论证

　　直接使用集成高电压输出运放OPA820，放大器通频带从20 Hz～10 MHz，并能驱动50 Ω的负载，单纯用音频放大的方法来完成功率输出。同时要做到在输出负载上放大器最大不失真输出电压峰峰值≥10 V的难度较大，故采用DC-DC变换器TPS61087DRC为末级THS3091放大电路供电，最终设计这款高速宽带放大器。本方案简单易行，由于采用单芯片，所以系统体积较小。

　　1.2 系统设计

　　利用模拟电子技术和单片机信号采集处理技术，最终完成增益控制及输出显示。系统框图如图1所示。

　　图1 系统框图

　　2 模拟电路设计

　　利用TI公司的模拟仿真软件Tina，设计出5 V和15 V电源电路和三级放大电路，并利用峰值检测电路的输出经单片机采样处理后液晶显示。Tina仿真软件模拟出上述电路40 dB时的通频带范围为10 Hz～10 MHz。图2所示为三级放大电路的通频带图。

　　图2 三级放大电路的通频带图

　　2.1 放大电路

　　采用OPA820作为一级、二级放大电路，THS3091作为末级放大电路。三级放大倍数分别为5倍、5倍和4倍。其中末级电路通过两个可调电阻来控制放大倍数和保证输出信号的不失真。图3所示为基于OPA820和THS3091芯片设计的三级放大电路。

　　图3 基于OPA820和THS3091芯片设计的三级放大电路

　　2.2 峰值检测电路

　　由于通频带范围中有低频和高频两种不同输入，所以采用两种不同检测电路。低频峰值检测电路可参考专业书上的具体电路，高频峰值检测电路在此利用TPS61087芯片仿真设计出的电路，如图4所示。

　　图4 高频峰值检测电路

　　3 MSP430单片机控制液晶输出设计

　　3.1 MSP430单片机和液晶

　　MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器。使用了MSP430F149型号的单片机，利用A/D采样峰值检测电路的信号，编程处理后最终完成在1602液晶上显示输出电压峰峰值和有效值数据的功能。为了减少功耗，并降低数字系统对模拟信号的干扰，采样完成后，将微控制器设低功耗模式。同时为了实时采样后数据显示不会闪烁，编程时利用定时器定时1 s后中断，使液晶每隔1 s才显示一次采样数据。电路如图5所示。

　　图5 单片机和液晶电路图

　　3.2 软件流程

　　软件流程，如图6所示。

　　图6 软件流程图

　　4 性能测试与分析

　　测试仪器有：泰克公司TS1002 160 M数字示波器和RIGOL DS1022 20M信号源。

　　测试方法主要分3步：（1）连接+5 V、+15 V电源，在输入端接入信号发生器信号。（2）输入通频带范围为10 Hz～10 MHz，电压峰峰值0～100 mV的信号，测试通频带内是否平坦。（3）改变输入电压的频率和有效值，分别记录输出电压的峰峰值和有效值。

　　相关测试数据如表1所示。

　　表1 40dB时输入输出测试

　　如表1所示，放大器在预置带宽为10 Hz～10 MHz、最大增益为40 dB的时候，通频带内很平坦。此时最大不失真输出电压约为10.20 V。经测试，该电路最大增益为42 dB。制作和调试出的实物图如图7所示。

　　图7 实物图

　　5 结束语

　　本设计实现了一个5 V单电源供电的宽带放大器基本功能，完成了系统的硬件与软件设计，解决了较难在输出负载上不失真输出电压峰峰值≥10 V、输出电压的峰值检测、A/D采样显示等问题。

　　四、驻极体传声器小型前置放大器的设计

　　0 引言

　　随着我国通讯事业的迅猛发展，对驻极体传声器的需求也越来越大。目前，一些小型的驻极体传声器虽然可以将场效应管集成于传声器内部，但由于高端产品的售价高昂，低端产品传声器的精度和灵敏度又无法保证，再加上传统的前置放大器体积又过于庞大。因此，设计一种体积尽可能小，成本低廉而性能优良的前置放大器具有十分重要的意义。

　　1 驻极体传声器的原理概述

　　传声器是一种将声信号转变为相应的电信号的电声换能器。驻极体传声器是一种用驻极体材料制造的新型传声器。它具有结构简单、灵敏度高等优点，被广泛应用于语言拾音、声信号检测等方面。

　　驻极体传声器内部主要包括声电转换和阻抗变换两部分。声电转换部分包括振膜、极板、空隙三部分。声电转换的关键元件是振动膜，它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层纯金薄膜，然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷，膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开，这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。当声音传入时，振膜随声波的运动发生振动，此时振膜与固定电极间的电容量也随声音而发生变化。从而产生了随声波变化而变化的交变电压信号，如此就完成了声音转换为电信号的过程。电压变化的大小，反映了外界声压的强弱，这种电压变化频率反映了外界声音的频率。驻极体传声器振膜与极板之间的电容量比较小，一般为几十pF。因而这个电信号输出阻抗很高，而且很弱。因此，不能将驻极体传声器的输出直接与音频放大器相接。而场效应晶体管具有输入阻抗极高、噪声系数低的特点，因此，一般是在传声器内部接入一只输入阻抗极高的结型场效应晶体三极管用来放大驻极体电容产生的电压信号，同时以比较低的阻抗在源极S或者漏极G输出信号，实现阻抗变换，如图1所示。

　　图1可以看出UOUT1或UOUT2为传声器的输出信号，由于UOUT1不会受到电源噪声VDD的影响，具有较强抗电源噪声干扰能力，所以将UOUT1接到前置放大器进行放大。

　　2 前置放大电路的设计分析

　　前置放大器的作用一方面是对电容传声头输出的信号进行预放大，另一方面主要是将电容头的高输出阻抗转换为低阻抗输出。小型前置放大器的电路主要包括两部分，其中一部分是场效应管组成的阻抗变换电路，另一部分就是下面将详细分析的放大电路。

　　2．1 放大电路的简化模型

　　传声器的前置放大电路如图2所示。图中运放采用了美国美信公司的麦克风前置放大器MAX4465，MAX4465为5脚SC70封装，低成本，微功耗。下面对这一电路的原理进行简化分析和说明。为便于电路的分析，令Z1＝R1+1／（jωC1），Z2＝R2／／1／（jωC2）＝R2／（1+jωR2C2），根据理想运放所具有的虚短和虚断的特点，可以得到电路的传递函数为：

　　从式（1）可以看出。当ω→∞或ω→0时，电路的传递函数Au→1。

　　2．2 中频段通带增益的估算

　　在语音信号的频段（20 Hz～20 kHz）内，选择合适的R2、C2值，使R2C2≈O，则1+jωR2C2≈1，若1+jωR1C1≈jωR1C1则带入式（1）传递函数中，可得Au≈1+R2／R1。若取R2=10R1，则Au=1+R2／R1≈R2／R1。

　　2．3 上限截止频率的估算

　　当信号的频率较高时，即在通频带内ω值较大，且R2=10R1时，式（1）可变为：

　　从上式可以看出，ω=1／（R2C2），即f=1／（2πR2C2）是电路对应的上限截止频率。

　　2．4 下限截止频率的估算

　　当信号的频率较低时，即在通频带内ω值较小且R2=10R1时，则1+jωR2 C2≈1，式（1）可变为：

　　从上式可以看出，ω=1／（R1C1）时，即f=1／（2πR1C1）是电路对应的下限截止频率。

　　2．5 前置放大电路的仿真结果

　　在电路的设计过程中，我们用电路仿真软件进行了仿真验证，仿真结果如图3所示。

　　从图3中可见，上述估算结果和仿真结果基本一致，同时，前置放大电路的实际调试结果也与上述分析基本吻合。

　　3 小型前置放大器结构特点

　　根据上述原理设计的前置放大器电路板直径约为10 mm（1／2inch），其本身具有的微小体积，与高灵敏度的1／2inch驻极体传声器配合后可以大大缩小整个传声器系统的总体积，从而可以更好地满足复杂情况下对传声器体积的严格要求。

　　4 总结

　　本文中所设计的传声器前置放大电路具有体积小，成本低廉，输入阻抗高，抗干扰性能强等优点。在电路加工过程中，使用高精度数字万用表，对元器件进行了精细的筛选，确保了同一批次不同前置放大器之间的一致性。此外，前置电路还可根据需要选用3～18 V电压源供电，以满足不同条件下的工程需求。目前1／2英寸驻极体传声器前置电路器在工程实践中已经得到了很好的应用。

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