南华大学黄智伟备战XX电子设计竞赛.docx

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南华大学黄智伟备战XX电子设计竞赛

南华大学黄智伟备战2013电子设计竞赛“放大器类”赛题分析

1.历届的“放大器类”赛题

在10届电子设计竞赛中，“放大器类”赛题除了1994年外，其它每届都有，共有10题：

①实用低频功率放大器（1995年A题）

②测量放大器（1999年A题）

③高效率音频功率放大器（2001年D题）

④宽带放大器（2003年B题）

⑤程控滤波器（2007年D题）【本科组】

⑥可控放大器（2007年I题）【高职高专组】

⑦宽带直流放大器（2009年C题）【本科组】

⑧数字幅频均衡的功率放大器（2009年F题）【本科组】

⑨低频功率放大器（2009年G题）【高职高专组】

⑩LC谐振放大器（2011年D题）【本科组】

其中：

与音频（低频）功率放大器有关的有4题。

与宽带放大器有关的有2题。

与直流、低频放大器有关的有3题，LC谐振放大器有1题。

“放大器类”赛题工作原理不复杂，比较历届赛题可以看到，“放大器类”赛题的技术参数（性能指标）要越来越高，使得制作难度越来越高。

如：

在“程控滤波器（2007年D题本科组）”中要求放大器电压增益为60dB，输入信号电压振幅为10mV。

制作“简易幅频特性测试仪”，其扫频输出信号的频率变化围是100Hz～200kHz，频率步进10kHz。

电阻负载（一端接地）时，要求输出功率≥10W。

功率放大电路的-3dB通频带为20Hz～20kHz。

功率放大电路的效率≥60％。

在“数字幅频均衡的功率放大器（2009年F题）”中要求：

当输入正弦信号ui电压有效值为5mV、功率放大器接8

，最大输出电压正弦波有效值uo≥10V。

，3dB通频带0～10MHz；负载电阻（50±2）“宽带直流放大器（2009年C题）”中要求最大电压增益AV≥60dB，输入电压有效值ui≤10mV。

放大器的输入电阻≥50

注意：

放大器同时也是各赛题中一个必不可少的组成部分。

2.历届“低频功率放大器类”赛题要求与设计方案

（1）实用低频功率放大器（1995年A题）

①实用低频功率放大器设计要求

设计并制作具有弱信号放大能力的低频功率放大器，在放大通道的正弦信号输入电压幅度为（5～700）mV，等效负载电阻RL为8Ω下，放大通道应满足：

额定输出功率POR≥10W；带宽BW≥（50～10000）Hz；在POR下和BW的非线性失真系数≤3%；在POR下的效率≥55%；在前置放大级输入端交流短接到地时，RL=8Ω上的交流声功率≤10mW。

自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。

设计详细要求与评分标准等请登录www.查询。

②实用低频功率放大器设计方案

实用低频功率放大器系统由低频功率放大器（包括前置放大器和功率输出放大器）、波形变换电路、直流稳压供电电路、保护电路等组成。

低频功率放大器用来提供10W以上的输出功率。

波形变换电路将正弦信号电压变换成规定要求的方波信号电压，用来测试放大器的时域特性指标。

稳压电源为功放电路和变换电路等提供稳定的直流电源。

a．前置放大器电路：

采用集成运算放大器构成的前置放大器电路

设计前置放大级时可供选用的集成运算放大器有很多，如NationalSemiconductor公司的LF347、LF353、LF356、LF357，PrecisionMonolithics公司的OP-16、OP-37，Signetics公司的NE5532、NE5534等等。

主要考虑的技术指标是带宽、电压增益、转换速率、噪声、电流消耗等。

为提高前置放大器电路输入电阻和共模抑制性能，减少输出噪声，采用集成运算放大器构成前置放大器电路时，必须采用同相放大电路结构。

采用专用前置放大器IC构成的前置放大器电路

目前有很多性能优越的专用低频前置放大器IC，如日本夏普公司的IR3R18，IR3R16，工作电压分别为13.2V和8V单电源，闭环增益均为45dB，频带BW=30Hz～20kHz，在输出峰值vom＝1.5V时，失真系数γ≤1%；NEC公司的μPC1228H，Vcc＝10V，闭环增益40dB，BW＝30Hz～20kHz，vom＝2V时γ≤1%；富士通公司的MB3105，Vcc＝13.2V，闭环增益42dB，BW＝30Hz～20kHz，vom＝2V时γ≤1%；MB3106，Vcc＝6V，闭环增益42dB，BW＝30Hz～20kHz，vom＝1.6V时γ≤1%。

b．功率放大器电路设计

采用分立元件构成的低频功率放大器电路

分立元件构成的低频功率放大器电路可分为输入级、功率激励级和OCL输出级三部分，有采用分立元件构成的OCL低频功率放大器电路形式，采用分立元件构成的DC（DirectCoupled，直接耦合）低频功率放大器电路形式，采用MOSFET构成的低频功率放大器电路形式。

采用集成功放构成的低频功率放大器电路

例如，采用集成功放LM1875、μPC1188H、HA1397等构成的低频功率放大器电路。

C．稳压电源电路设计

前置放大器电路需要的±12V可由LM7812T和LM7912T加散热器组成，保护电路需要的＋12V电源由一片LM7812T提供，+5V电源由+12V稳压电源经限流、稳压二极管稳压提供。

功率放大器电路需要的±18V电源由精密稳压器LM317T和LM337T经功率三极管扩流组成，改变可调电阻RW，输出电压从1.25V至19.5V连续可调。

（2）高效率音频功率放大器（2001年D题）

①高效音频功率放大器设计要求

设计并制作一个高效率音频功率放大器及其参数的测量、显示装置。

功率放大器的电源电压为+5V（电路其他部分的电源电压不限），负载为8Ω电阻。

功率放大器3dB通频带为300Hz～3400Hz，输出正弦信号无明显失真，最大不失真输出功率≥1W，在输出功率500mW时测量的功率放大器效率（输出功率/放大器总功耗）≥50%。

输入阻抗>10kΩ，电压放大倍数1～20连续可调。

设计详细要求与评分标准等请登录www.查询。

②高效音频功率放大器设计方案

根据设计要求，高效率功率放大器采用D类功率放大器形式，D类功率放大器是用音频信号的幅度去线性调制高频脉冲的宽度（例如，TLC4502+LM311+CD40106），功率输出管（例如IRFD9120和IRFD9120高速VMOSFET对管）工作在高频开关状态，通过LC低通滤波器后输出音频信号。

由于输出管工作在开关状态，具有极高的效率，理论上为100%，实际电路也可达到80%～95%。

信号变换电路采用差动式减法电路，由于功放输出具有很强的带负载能力，故对变换电路输人阻抗要求不高，选用较简单的单运放组成的差动式减法电路形式，可满足具有双端变单端的功能，且增益为1的设计要求。

功率测量电路采用真有效值转换专用芯片AD637组成，先得到音频信号电压的真有效值，再用A/D转换器采样该有效值，直接用单片机计算出平均功率。

（3）低频功率放大器（2009年G题）【高职高专组】

①低频功率放大器设计要求

设计并制作一个低频功率放大器，输入电阻为600Ω，通频带为10Hz～50kHz，输出功率≥5W，输出噪声电压有效值V0N≤5mV，在通频带低频功率放大器失真度小于1%，具有测量并显示低频功率放大器输出功率（正弦信号输入时）、直流电源的供给功率和整机效率的功能，测量精度优于5%，要求末级功放管采用分立的大功率MOS晶体管。

设计详细要求与评分标准等请登录www.查询。

②低频功率放大器系统设计方案

根据赛题要求，所设计的低频功率放大器由阻抗匹配、前置放大、低通滤波、功率放大、单片机最小系统和稳压电源几部分组成。

设计方案与实用低频功率放大器（1995年A题）要求类似。

（4）数字幅频均衡的功率放大器（2009年F题）【本科组】

①数字幅频均衡的功率放大器设计要求

设计并制作一个数字幅频均衡功率放大器。

该放大器包括前置放大、带阻网络、数字幅频均衡和低频功率放大电路。

要求：

-1dB通频带为20Hz~20kHz，输入电阻为600Ω，应用数字信号处理技术，制作数字幅频均衡电路，对带阻网络输出的20Hz~20kHz信号进行幅频均衡。

经过数字幅频均衡处理后，以10kHz时输出信号u3电压幅度为基准，通频带20Hz~20kHz的电压幅度波动在±1.5dB以。

当输入正弦信号ui电压有效值为5mV、功率放大器接8Ω电阻负载（一端接地）时，要求输出功率应大于或等于10W，输出电压波形无明显失真。

功率放大电路的效率应大于或等于60％。

②数字幅频均衡的功率放大器设计方案

根据赛题要求，该放大器由前置放大、带阻网络、数字幅频均衡和低频功率放大电路组成。

前置放大采用低噪声OP放大器芯片实现（如NE5532、OPA2604、OPA228、OPA602、OP37、INA103等）。

带阻网络按照赛题给出的参数制作。

数字幅频均衡电路是赛题的核心，由ADC+FPGA+DAC组成。

ADC驱动采用AD8041、LF356、OPA277等，ADC采用ADS8505、AD557、AD7880、TLC0820等，DAC采用DAC904、DAC7122等。

FPGA用来完成数字幅频均衡，可以利用FPGA中的FFTIP核，实现FFT变换和FFT反变换。

或者利用IIR、FIR数字滤波器曲线拟合实现。

FPGA采用CYCLONEIIIEP3C16Q240C8等。

功率放大电路要求其效率大于或等于60％，可以采用D类放大器电路（包括三角波发生器、比较器、功率驱动和功率放大器电路），功率放大器采用IR2110驱动（带光耦），功率管采用IRF3205。

也可以采用OCL电路，例如采用AD844驱动NMOS和PMOS对管，或者晶体管OCL电路。

2.历届“宽带放大器类”赛题要求与设计方案一

（1）宽带放大器（2003年B题）

①宽带放大器设计要求

设计并制作一个宽带放大器，输入阻抗≥1kΩ；单端输入，单端输出；放大器负载电阻600Ω；3dB通频带10kHz～6MHz，在20kHz～5MHz频带增益起伏≤1dB；最大增益≥40dB，增益调节围10dB～40dB（增益值6级可调，步进间隔6dB，增益预置值与实测值误差的绝对值≤2dB），需显示预置增益值；最大输出电压有效值≥3V，数字显示输出正弦电压有效值。

设计详细要求与评分标准等请登录www.查询。

②宽带放大器系统设计方案

宽带放大器的输入级采用OPA642宽带低噪声电压反馈型运算放大器，以提高输入阻抗；在输入端增加输入缓冲电路起保护作用；可变增益宽带放大器采用AD603。

输入级和可控增益放大器电路使用屏蔽盒封闭。

利用单片机系统完成AGC控制，通过软件补偿减小增益调节的步进间隔和提高准确度。

功率输出部分采用分立元件制作。

考虑到放大器通频带从10kHz～6MHz，负载电阻为600Ω时，输出有效值大于6V，而AD603输出最大有效值在2V左右，参考音频放大器中驱动级电路形式，选用两级三极管直流耦合电路和发射极直流负反馈电路组成末级功率放大电路，第一级进行电压放大，完成整个后级放大电路的电压增益，第二级将第一级输出的双端信号变成单端输出信号，同时提高带负载的能力。

晶体管选用2N3904和2N3906三极管（特征频率fT＝250～300MHz）可达到25MHz的带宽。

整个电路没有使用频率补偿，可对DC到20MHz的信号进行线性放大，在20MHz以下增益非常平稳，为稳定直流特性，可将反馈回路用电容串联接地，加大直流负反馈，但这会使低频响应变差，实际上可将通频带的下限频率从DC提高到1kHz，则可提高电路的稳定性。

整个功率放大电路电压放大约10倍。

2）宽带直流放大器（2009年C题）【本科组】

①宽带直流放大器设计要求

设计一个宽带直流放大器，其最大电压增益AV≥60dB，输入电压有效值Vi≤10mV。

在AV＝60dB时，输出端噪声电压的峰峰值VONPP≤0.3V。

最大输出电压正弦波有效值Vo≥10V。

电压增益AV可预置并显示，预置围为0～60dB，步距为5dB（也可以连续调节）；放大器的带宽可预置并显示（至少5MHz、10MHz两点）。

放大器的输入电阻≥50，负载电阻（50±2）。

设计并制作满足放大器要求所用的直流稳压电源。

设计详细要求与评分标准等请登录www.查询。

②宽带直流放大器系统设计方案

根据赛题要求，选择多级运放电路。

应用多级运放可以得到很大的增益，并且对单个运放的性能要求较低，系统总增益等于各运放增益的和，可以将信号放大和功率放大分开处理；带宽也比较好控制，可以选择多种耦合方式，充分的发挥出电路的性能，电路结构也比较简单。

性价比也比较高。

根据赛题要求，选择直接耦合方式。

赛题的难点在功率放大器部分，要达到带宽超过10MHz，负载电阻（50±2），输出有效值10V，电源电压需要±18V，输出电流达到300mA。

可选择的芯片有AD811（150mA）、AD818（100mA），采用三片并联输出形式；THS3091（250mA）、THS3092（两路的运放）、THS3001，采用两到三片并联输出形式；BUF364、LME49600、LME49610（250mA），两片并联输出形式；并且芯片一定得加足够大的散热片，否则根本达不到所要求的性能。

a.宽带直流放大器设计方案1

宽带直流放大器设计方案1主要由三级AD811构成信号放大电路和一级BUF634宽带功率放大器电路组成多级放大器、LCD128×64显示模块、预置开关、ADCMCP3202、MCUNXPP89V51、DACTLV5618、调零电路等组成。

b.宽带直流放大器设计方案2

宽带直流放大器设计方案2主要由前置放大，可控增益放大器、功率放大、单片机显示和控制等几大模块组成。

其中以可编程增益放大器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-6～76dB的宽频带围线性变化。

前置放大器采用由宽带电压型反馈运放OPA642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AD811和BUF634宽带功率放大器，提高系统带负载能力。

通过滤波器单元式部件LT1568改变通频带，可通过键盘连续程控增益。

控制器采用基于核Cotex-M3的Luminary615微控制器。

4.“程控滤波器”赛题要求与设计方案

4.“程控滤波器”赛题要求与设计方案

①程控滤波器设计要求

；制作一个四阶椭圆型低通滤波器，带起伏≤1dB，-3dB通带为50kHz，要求放大器与低通滤波器在200kHz处的总电压增益小于5dB，-3dB通带误差不大于5%；制作一个简易幅频特性测试仪，其扫频输出信号的频率变化围是100Hz～200kHz，频率步进10kHz。

设计详细要求与评分标准等请登录www.查询。

；滤波器可设置为高通滤波器，其-3dB截止频率fc在1kHz～20kHz围可调，调节的频率步进为1kHz，0.5fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB,RL=1k设计并制作程控滤波器，有可设置增益的放大器、程控滤波器、简易幅频特性测试仪组成。

放大器增益可设置；低通或高通滤波器通带、截止频率等参数可设置。

放大器电压增益为60dB，输入信号电压振幅为10mV；增益10dB步进可调，电压增益误差不大于5%，通频带为100Hz～40kHz；滤波器可设置为低通滤波器，其-3dB截止频率fc在1kHz～20kHz围可调，调节的频率步进为1kHz，2fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB,RL=1k

②程控滤波器设计方案

根据赛题要求分析，所设计制作的一个程控滤波器应包含有可控增益放大器电路、滤波器电路、幅频特性测试电路、以及人机接口几部分。

a.可控增益放大器实现方案

可控增益放大器可以采用增益可调的仪表放大器电路、采用数字电位器和运放组成放大电路、采用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器PGA等。

根据赛题要求，选择增益可调的单片仪表放大器（例如AD620）可以实现增益在1～1000倍之间可调，但受其单位增益带宽积的限制（例如AD620单位增益带宽积只有12MHz），不能满足系统要求的放大器的通频带特性。

选择使用数字电位器和运放组成放大电路方案，可以通过控制数字电位器来改变放大器的反馈电阻实现可控增益。

这种方案的电路较简单，但受数字电位器的精度限制，很难实现增益的精确控制，同时也受数字电位器带宽的限制，数字电位器的带宽会直接影响放大器的通频带特性。

采用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器PGA是较好的选择，例如选择集成AD603、AD605等可控增益放大器。

可控增益放大器的部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯形网络输入端的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的参考电压决定；利用单片机控制DAC芯片的输出电压作为这个参考电压，可以实现较精确的增益控制。

DAC可以选择MAX542等芯片。

AD603、AD605等可控增益放大器的输出电压幅度一般在1.5V左右，放大器需要末级放大电路，末级放大电路可以采用MAX427等集成电路芯片或者分立元器件组成的放大电路。

设计方案可以参考4.1宽带放大器。

b.滤波器电路实现方案

根据赛题要求，需要设计制作一个截止频率可调的低通滤波器和一个截止频率可调的高通滤波器，以及一个4阶椭圆低通滤波器。

常用的滤波器的设计方案有无源LC滤波器、有源RC滤波器、开关电容滤波器、数字滤波器等。

采用电感和电容可以搭建各种类型的无源LC滤波器。

参照滤波器设计手册上的相关参数，可以比较容易地设计出理想的滤波器。

但要实现截止频率可调，只有改变电感和电容参数，控制电路将是非常复杂的。

采用运算放大器和电阻、电容等分立元件可以构造有源RC低通滤波器和有源RC高通滤波器，利用继电器或模拟开关来切换不同的电阻值和电容值，可以改变滤波器的截止频率。

但为了达到赛题的基本要求，必须多个参数进行切换，控制电路也将是非常复杂的。

数字滤波器具有精度高、截止特性好等优点，采用数字滤波器是一个好的选择。

数字滤波器可以利用Matlab的数字滤波器设计软件设计FIR或者IIR滤波器，然后在FPGA中用VerilogHDL或者VHDL语言来实现。

但是FIR或IIR滤波器需要较多的FPGA资源，而且要使截止频率可调，必须使用不同的参数，编程的工作量比较大。

对参赛的学生而言不是最好的选择。

采用开关电容滤波器。

开关电容滤波器是由MOS开关、MOS电容和MOS运算放大器构成的一种大规模集成电路滤波器。

其等效电阻R与开关电容和时钟频率有关，当改变滤波器的时钟频率fc时，可以改变等效电阻R，从而可以改变滤波器的时间常数。

采用开关电容滤波器的方案电路结构简单，操作容易。

目前市场上有集成的开关电容滤波器芯片可以选用，例如MAX263、MAX297、LTC1068等，使用这些集成电路芯片，可以满足设计要求，并可以大大的节约设计制作时间。

例如：

可以利用开关电容滤波器芯片MAX297实现低通滤波器，利用开关电容滤波器芯片MAX263实现高通滤波器。

例如：

可以利用LTC1068完成低通滤波器和高通滤波器，以及一个4阶椭圆低通滤波器设计。

LTC1068包含有四个通用二阶模块，四种不同的工作模式，在确定外部元件参数（电阻）后，可以使用时钟来调节截止频率。

低通滤波器可以采用LTC1068两级滤波器模块构成的四阶巴特沃兹低通滤波器，第一级滤波器的Q＝1.3066，第二级滤波器的Q＝0.5412，f0＝20kHz。

高通滤波器可以采用LTC1068两级滤波器模块构成的四阶巴特沃兹高通滤波器，第一级滤波器的Q＝0.5412，第二级滤波器的Q＝1.3066，f0＝20kHz。

椭圆滤波器可以采用LTC1068两级滤波器模块构成的四阶椭圆函数低通滤波器，第一级滤波器的参数：

Q＝3.1267，f0＝51.5578kHz，fn＝161．6740kHz；第二级滤波器的参数Q＝0.7126，f0＝30.7356kHz，fn＝382.3317kHz。

c.幅频特性测试仪设计方案

幅频特性测试仪实际上就是一个频谱分析仪，设计方案可以参考5.9简易频谱分析仪，一个典型的设计方案如图4.7.2所示，利用单片机或者FPGA控制DDS芯片构成扫频源，以一定步进产生扫频信号，同时测量并记下其通过被测网络后的有效值，根据各个频点通过网络后的有效值，可在液晶显示器上画出其幅频特性图。

DDS扫频源可以采用专用的DDS芯片实现，如AD9850等。

有效值的测量可以采用AD637等专用的有效值测量芯片完成。

5.一些建议

5.一些建议

（1）主攻“放大器类”赛题方向的同学在训练过程中，以历届赛题为基础，完成相关模块的设计制作，以备竞赛需要。

放大器原理简单，制作困难，电源、屏蔽、PCB设计等都有要求，处理不当，就会引起自激振荡。

（2）主攻“放大器类”赛题方向的同学还应该注意与放大器特性和指标参数测试有关的仪器仪表的设计与制作。

一些赛题会包含这方面的容，如2007年D题“程控滤波器”。

（3）主攻其他方向的同学，注意信号处理放大器的设计与制作。

6.历届的“放大器类”赛题中使用到的一些放大器芯片和网址

6.历届的“放大器类”赛题中使用到的一些放大器芯片和网址

注：

包括其他赛题使用到的一些放大器（包含OP）芯片

AD526精确程控放大器，ADI公司，.analog.

AD603，低噪声、90MHz可变增益放大器.，ADI公司，.analog.

AD605双通道、低噪声、单电源可变增益放大器，ADI公司，.analog.

AD620低漂移、低功耗仪表放大器，增益设置围1～10000ADI公司，.analog.

AD783，采样保持电路，ADI公司，.analog.

AD811高性能视频运算放大器（电流反馈型宽带运放），ADI公司，.analog.

AD818高速低噪声电压反馈型运放，ADI公司，.analog.

AD8011300MHz、1mA电流反馈放大器，ADI公司，.analog.

AD8056双路、低成本、300MHz电压反馈型放大器ADI公司，.analog. 

AD8564，四路7ns单电源高速比较器，ADI公司，.analog.

AC524/AC5255~500MHz级联放大器，teledyne公司，.teledyne-cougar.

BUF634，250mA高速缓冲器，TI公司，

CA3140单运算直流放大器，IntersilCorporation，.intersil.

HFA1100850MHz、低失真电流反馈放大器，IntersilCorporation，.intersil.

INA118精密低功耗仪表放大器，TI公司，

LF356JFET输入运算放大器，NationalSemiconductorCorpora，.national.

LM311具有选通信号的差动比较器，NationalSemiconductorCorpora，.national.

LF356，JFET输入运算放大器，NationalSemiconductorCorpora，.national. 

LM393电压比较器，NationalSemiconductorCorpo