水声换能器功放与匹配电路的设计与实现-

1、第卷第期年月传感技术学报项目来源:国家自然科学基金项目(国家自然科学基金青年项目(厦门大学中央高校基础研究基金项目(收稿日期:修改日期:(:.水声换能器功放与匹配电路的设计与实现陈士广陈华宾程恩袁飞(厦门大学水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室福建厦门摘要:是针对频段的水声换能器设计类功率放大器和匹配电路电路相对线性电路具有效率高尺寸小等优点所以类功放一般选用调制类功放由三角波发生器比较器功率管以及保护模块组成实现高效率低失真的功率放大类功放的输出一般都要通过一个低通滤波器来滤除高频信号来还原低频信号由于水声换能器是容性负载会产生很大的无功功率因此需要设计匹配电路匹配包括调谐和阻抗匹配匹配电

2、路的加入能大大减少水声换能器的无功功率进而提高功放的效率使水声换能器在工作频段内能稳定工作关键词:换能器类功放匹配电路谐振中图分类号:文献标识码:文章编号:(随着水声通信技术的发展水下通信设备开始逐步走向实用化为了满足其实际的使用要求功放电路需要具有小体积高效率特性并能在水下长时间连续可靠工作压电陶瓷换能器主要负责在电信号与声信号之间进行转换换能器拥有最佳的匹配网络能输出最大的发射功率从而得到最高的功放功率当换能器需要在一个较宽的频带范围内工作时假设换能器本身的带宽较窄这时我们需要在功放与换能器之间连接一个匹配网络来提高换能器的输出功率和带宽并提高功放效率为了得到一个较平稳的发射响应曲线文献提

3、出通过巴特沃斯滤波器来等效的匹配网络文献提出一种通过串并联个电感来对电压特性的峰点和谷点补偿最简单的匹配网络是通过串联一个电感来抵消换能器的大部分容性在很多实际应用中需要换能器具有满足使用要求的带宽追求高效率小体积低失真的类功放以及如何更好的对压电陶瓷换能器进行匹配来获得更大的功率增益和带宽是本文研究的重点类功率放大器工作原理类功放也被称作是数字功放主要由个部传感技术学报分组成调制比较功率放大和输出滤波如图一个理想类功放的效率可以达到实际应用中可以实现以上的效率而类功放的效率为.类功放的效率最大不会超过第一部分为调制器最简单的只需要用一只运放构成比较器即可完成把原始音频信号加上一定直流偏置后放

4、在运放的正输入端另通过自激振荡生成一个三角波加到运放的负输入端当正端上的电位高于负端三角波电位时比较器输出为高电平反之则输出低电平若音频输入信号为零直流偏置三角波峰值的/则比较器输出的高低电平持续的时间一样输出就是一个占空比为的方波当有音频信号输入时正半周期内比较器输出高电平的时间比低电平长方波的占空比大于负半周期间由于还有直流偏置所以比较器正输入端的电平还是大于零但音频信号幅度高于三角波幅度的时间却大为减少方波占空比小于这样比较器输出的波形就是一个脉冲宽度被音频信号幅度调制后的波形称为波形音频信息被调制到脉冲波形中 图类功放基本结构第二部分就是类功放这是一个脉冲控制的大电流开关放大器把比较器

5、输出的信号变成高电压大电流的大功率信号能够输出的最大功率有负载电源电压和晶体管允许流过的电流来决定第三部分需把大功率波形中的声音信息还原出来方法很简单只需要用一个低通滤波器但由于此时电流很大结构的低通滤波器电阻会耗能不能采用必须使用低通滤波器当占空比大于的脉冲到来时的充电时间大于放电时间输出电平上升窄脉冲到来时放电时间长输出电平下降正好与原音频信号的幅度变化相一致所以原音频信号被恢复出来如图所示设计滤波器时应考虑电磁干扰(在开关频率处开关频率的倍频处存在很强的谐波能量如果不对这部分谐波分量进行抑制就会导致严重的辐射性 图模拟类功放工作原理水声换能器匹配电路设计换能器匹配问题一直是宽带水声信号发

6、射研究的重要研究方向尤其是低频宽带大功率的发射换能器的匹配技术是现代水声发展的重要技术环节也是一直存在的难题匹配的好坏不仅会影响换能器的输出功率也会影响整个系统的发射效率有时还会导致换能器的损坏匹配网络是使性能良好的换能器和功率放大器发挥最高效能的桥梁和纽带换能器匹配的作用有:一是使信号源输出电流和电压同相以减少电路中的无功分量使信号源的输出功率尽可能转化为换能器的发射功率提高整个发射系统的效率二是最佳阻抗匹配是使整个电路的有功电阻和信号源输出电阻接近以达到最佳输出功率.水声换能器的匹配方式在水声换能器的谐振频率范围内换能器的等效模型可以用下面的等效电路来表示 :图换能器在常规下和谐振时的等效

7、电路在图中并联电路是由一个静态电容和一个串联支路组成串联支路是由一个动态电感动态电容和一个动态电阻组成当处于谐振频率时动态电感和动态电容的作用抵消可以等效为一个静态电容和一个动态电阻并联组成换能器的阻抗是随频率在变化的由于静态电容一般都比较大所以换能器在工作频带内成容性换能器的匹配方式总体上来分主要有静态匹配和动态匹配种方式静态匹配是指通过测出换能器的等效电路参数然后根据这一参数使用并联或串联的方式设计出合适的匹配电第期陈士广陈华宾等:水声换能器功放与匹配电路的设计与实现路使之与换能器在某一固定的频率发生谐振动态匹配是指当换能器的阻抗参数变化较大时采用固定的匹配电路很难保证换能器始终处于最佳的

8、谐振状态这时要采用动态匹配方式来达到谐振的目的有了以上的知识现在我们来设计匹配电路2.2水声换能器的匹配根据换能器的等效模型我们可以写出其阻抗æèçöø÷éëêêùûúúæèçöø÷(根据匹配原理在换能器机械谐振时电抗即则串联支路中仅剩下电阻水声换能器阻抗特性测试数据如表所示表水声换能器阻抗特性测试数据频率/电导/电纳/近时相位接近为所以.求得.匹配后的相位如图所示从图上可以看到匹配后的相位从到内

9、都可以减小在以内根据匹配后的电路计算计算出等效的系统函数可以求得频段范围为(.品质因数可由公式(其中分为为频段的个边界为谐振频率可以求出为.带内增益包括三部分的增益 功放增益变压器增益匹配电路增益增益为. 图 未匹配前频带内的相位图 换能器的匹配电路图图匹配后频带内的相位在没有加入匹配电感时测量电源供给电压电流与功率和换能器的电压电流与功率并计算效率分别如表所示加了匹配电感后测量供电电流电压和功率与换能器的电流电压和功率并计算效率值分别如表所示传感技术学报表未加匹配的测量数据频率/供电功率/换能器功率/效率/表加了匹配后的测量数据频率/供电功率/换能器功率/效率/.水能换能器的阻抗匹配如果负载

10、电阻和功率放大器的输出电阻相差很大就会导致阻抗失配影响功率放大器的输出功率以及效率一般是通过变压器的阻抗变换达到功放输出阻抗和换能器的阻抗接近的目的对于类功率放大器来说输出的信号是信号含有大量的谐波成分好的匹配网络能够滤除多余的频率成分减轻功放负担功率放大器的输出阻抗测量若信号源输出一定频率和大小的信号作为功放的输入信号当输出回路不并接负载测量输出电压值为:若输出回路并接负载则输出测量值为:则可用下式计算功放输出电阻/æèçöø÷(值得注意的是测量时应保证输出波形不失真并且的选取应该尽量跟功放的输出电阻接近以减小误差换能器的等效并联电

11、阻换能器的谐振频率为.在谐振频率的点换能器和产生的动态电感和动态电容的作用会抵消如果并联的电感能在谐振频率点抵消静态电容的作用就可以得到等效并联电阻计算匝数比假设功放的输出电路是如图所示的电压内阻为的阻性信号源通过一只变压器与负载进行阻抗变换其戴维南等效电路图如图所示 图 功放输出电路图 功放输出等效电路图匹配电路的改进其中当与换能器匹配后的等效电阻相等时候换能器获得的功率最大计算得到匝数比为左右.改进的匹配电路从上述的匹配后相位可以看到如图所示在靠近的相位为正而靠近的相位为负所以可以添加一个电容和一个电感在靠近呈容性在靠近呈感性来抵消简单匹配残留的电抗电路图如图所示第期陈士广陈华宾等:水声换

12、能器功放与匹配电路的设计与实现先用电感抵消换能器的大部分容性当电感值为.时用公式ìîíïïïï(计算出电抗值再通过串联电容和电感来抵消一个最大值和一个最小值计算得串联电感.串联电容.计算出匹配后的电抗值以及相位值其相位变化曲线如图所示从图中可以看出改进后的电路相位有很大的提高从到.内相位都能在以内使在更大频带范围内负载呈纯电阻特性 图改进匹配后的相位变化曲线3结论本文主要设计了类功率放大器以及换能器的匹配电路为了防止高频辐射和还原信号输出信号在通过一个滤波器滤除高频成分匹配包含了两方面的内容:调谐换能器通过匹配等效为一个纯阻

13、元件即减小其电流和电压的相位差得到最高效率阻抗匹配用变压器进行等效阻抗变换得到最高功率输出如果没有进行匹配会造成无功功率占很大比例功率输送效率低并且会增加功率的负担参考文献:常永辉朴胜春.高效率小尺寸类功放及换能器匹配设计.哈尔滨:哈尔滨工程大学.闵祥国.一种宽带水声换能器匹配方法研究.枣庄学院学报(:.(:.叶春辉.高效率低失真的类音频功率放大器.厦门:厦门大学.樊斌蔡觉平.音频功率放大器研究与设计.西安:西安电子科技大学.王鑫淦杜选民文明等.类功放中数字调制器的研究与实现.声学技术(:.蒋锟林.压电换能器匹配电路的设计.电声技术(:.郭林伟林书玉许龙.压电陶瓷换能器电感与电容匹配特性研究.陕西师范大学学报(自然科学版