小型水聲功率放大設(shè)計(jì)及換能器匹配技術(shù)研究

崔 娟 張文棟 王紅亮 張 慧 薛晨陽

(中北大學(xué)電子測(cè)試國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1，山西 太原 030051；中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，山西 太原 030051)

小型水聲功率放大設(shè)計(jì)及換能器匹配技術(shù)研究

崔 娟1,2張文棟1,2王紅亮1,2張 慧1,2薛晨陽1,2

(中北大學(xué)電子測(cè)試國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1，山西 太原 030051；中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，山西 太原 030051)

針對(duì)200 kHz的小型水下超聲壓電換能器線陣的超聲發(fā)射功率要求，通過對(duì)常用水聲功率放大電路的分析，設(shè)計(jì)了一種基于D類功放原理的互補(bǔ)推挽式功率放大電路；并根據(jù)換能器和功放的阻抗特性，選擇串聯(lián)調(diào)諧進(jìn)行了阻抗匹配設(shè)計(jì)。仿真分析表明，設(shè)計(jì)的功率放大電路輸出功率最大值為17.47 W，實(shí)際測(cè)試超聲發(fā)射信號(hào)較強(qiáng)、穩(wěn)定性好、干擾小。該功率放大電路滿足設(shè)計(jì)要求，有較高的應(yīng)用價(jià)值。

水下超聲壓電換能器 發(fā)射功率 D類功放 互補(bǔ)推挽式 串聯(lián)調(diào)諧 阻抗匹配

Series tuning Impedance matching

0 引言

自20世紀(jì)60年代以來，海洋開發(fā)技術(shù)發(fā)展迅速，便攜的水下超聲成像設(shè)備因其非常廣泛的應(yīng)用和價(jià)值得到了越來越多的重視。水下超聲成像系統(tǒng)能夠正常工作的前提是超聲信號(hào)發(fā)射電路能有效地激勵(lì)水下?lián)Q能器發(fā)射超聲波，但海洋環(huán)境特殊復(fù)雜，存在一個(gè)帶寬有限、強(qiáng)干擾和噪聲的聲信道[1]。

目前,國(guó)內(nèi)對(duì)水下超聲發(fā)射的研究主要集中在大型聲納系統(tǒng)的水聲發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)。此類水聲發(fā)射機(jī)普遍采用低聲頻、大功率、大基陣，能耗大且不便于攜帶。因此，本文針對(duì)小型的水聲成像發(fā)射換能器的特性，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種高頻、低供電電壓的功率放大電路，并對(duì)設(shè)計(jì)的功放和換能器進(jìn)行了阻抗匹配，以達(dá)到最高的輸出功率。

1 水聲功率放大電路設(shè)計(jì)

水下超聲成像發(fā)射系統(tǒng)一般以FPGA作為控制中心，產(chǎn)生超聲激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換、前置放大及功率放大后，通過阻抗匹配電路激勵(lì)超聲換能器陣列發(fā)射超聲波。功率放大電路是水下超聲發(fā)射系統(tǒng)不可或缺的一部分。由于前端波形產(chǎn)生和放大電路所產(chǎn)生的信號(hào)功率都比較小，無法直接驅(qū)動(dòng)換能器向水中輻射超聲信號(hào)，因此必須設(shè)計(jì)功率放大電路以提高信號(hào)功率。

常見的水聲發(fā)射機(jī)功率放大電路主要基于C類和D類功放的工作原理。而D類功放因其具有體積小、質(zhì)量輕、輸出功率大、散熱低，且工作效率達(dá)90%以上等特點(diǎn)，因此本設(shè)計(jì)采用D類功放。常用的D類功放有MOS管D類推挽功率放大電路和D類全橋功率放大電路，后者又分單電源和雙電源供電兩種[2-3]。

本文以中心頻率為200 kHz的壓電式超聲換能器線陣為發(fā)射換能器，這種換能器比一般的聲納換能器規(guī)模小，具體參數(shù)如表1所示。 換能器內(nèi)阻RL=500 Ω，靜態(tài)電容C0=0.9 nF。針對(duì)該小型水下超聲換能器線陣特性，本文基于D類功率放大電路的基本原理，提出了一種適用于提高水下超聲發(fā)射功率的D類互補(bǔ)推挽式功率放大電路其電路,如圖1所示。

表1 換能器線陣參數(shù)表

圖1 D類互補(bǔ)推挽式功放電路

該功放采用18 V供電電壓，電路中上下橋臂分別為N溝道和P溝道型MOS管。MOS管應(yīng)用于高頻功率放大電路不僅可以放大功率，也使電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化。同時(shí)，采用對(duì)管驅(qū)動(dòng)可以提高帶容性負(fù)載的能力，具有較大的峰值電流[4]。由于實(shí)際中沒有特性完全配對(duì)的MOS管，因此考慮MOS管的漏極電壓UDS、漏極電流ID以及漏極導(dǎo)通電阻RDS等參數(shù)，選用了IRF540和IRF9540分別作為N溝道和P溝道型MOS管。

該功率放大電路前端選用ISL55110作為其驅(qū)動(dòng)芯片。ISL55110驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)3.5 A，上升和下降時(shí)間僅為1.5 ns，能夠?qū)崿F(xiàn)MOS管的高速導(dǎo)通。在電壓輸入端連接電容和電阻，可以達(dá)到去耦和限流的作用，使芯片穩(wěn)定工作[5]。

變壓器選擇具有中間抽頭的脈沖升壓變壓器，磁芯材料為錳鋅鐵氧體，輸出電壓幅值計(jì)算公式為：

UOUT=N(UCC-USAT)

(1)

式中：N為初級(jí)和次級(jí)線圈匝數(shù)比；USAT為MOS管導(dǎo)通電壓。

變壓器除了升壓的作用，還有阻抗匹配的作用。設(shè)變壓器初級(jí)線圈所接阻抗為R初，次級(jí)線圈所接負(fù)載阻抗為R次，則有如下關(guān)系[6]：

R初∶R次=1∶N2

(2)

2 阻抗匹配設(shè)計(jì)

功率放大電路輸出阻抗為低阻抗，換能器輸入為高阻抗。為了解決壓電超聲換能器陣列與功率放大電路的阻抗失配問題，必須設(shè)計(jì)匹配電路。當(dāng)負(fù)載阻抗與功放等效阻抗互為共軛復(fù)數(shù)時(shí)，負(fù)載輸出功率最大，稱為負(fù)載阻抗和功放電路達(dá)到最大功率匹配[7]。

為得到最大的發(fā)射功率，激勵(lì)信號(hào)頻率一般與換能器中心頻率相等。處于諧振狀態(tài)的壓電換能器相當(dāng)于一個(gè)容性阻抗，與匹配電路一起構(gòu)成功率放大電路的負(fù)載，阻抗可表示為:

Zc=Rc+jXc

(3)

因?yàn)楣β史糯箅娐返妮敵鲎杩篂榧冸娮?，可表示為Z0=R0。根據(jù)最大傳輸定理，換能器理想功率匹配的條件為：Rc=R0，Xc=0 。

調(diào)諧匹配設(shè)計(jì)分為串聯(lián)調(diào)諧和并聯(lián)調(diào)諧兩種。輸出功率一定時(shí)，串聯(lián)調(diào)諧的等效電阻小，可以減輕變壓器體積和重量，且串聯(lián)匹配有濾波作用[8]，因此本文采用串聯(lián)調(diào)諧匹配，設(shè)計(jì)的匹配電路和換能器的等效電路如圖2所示。

圖2 阻抗匹配電路

圖2中，C0為靜態(tài)電容，RL為等效電阻。匹配后，換能器與匹配電路的總輸入阻抗為：

(4)

設(shè)換能器原阻抗為Zi，則：

(5)

匹配電路的導(dǎo)通頻率為：

(6)

根據(jù)上述理論，要達(dá)到最大功率匹配，需要滿足以下條件：

(7)

(8)

取變壓器匝數(shù)比為1∶5，即N=5，功放電路輸出阻抗R0=R初×N2=50Ω。換能器中心頻率為200kHz，要求匹配電路的導(dǎo)通頻率與其一致。根據(jù)以上公式,計(jì)算得到匹配電路的各項(xiàng)參數(shù)：C=3.9nF，C′=22pF，L=29mH。

3 試驗(yàn)與結(jié)果

綜合以上設(shè)計(jì)和計(jì)算，首先用Multisim軟件對(duì)功率放大電路和阻抗匹配電路進(jìn)行仿真。仿真過程中以信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率200kHz、幅值為2V的方波信號(hào)模擬FPGA發(fā)出的原始超聲激勵(lì)信號(hào)，用兩級(jí)前置放大AD823代替驅(qū)動(dòng)芯片ISL55110。功率放大仿真電路如圖3所示。

圖3 功率放大仿真電路

電路仿真波形如圖4所示。

圖4 電路仿真波形

仿真電路中b點(diǎn)的電流有效值為：

(9)

則經(jīng)功放后電路的最大輸出功率為：

(10)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路的功放效果，仿真并計(jì)算得到未加功放時(shí)的輸出信號(hào)和加功放及匹配電路后的輸出信號(hào)對(duì)比如表2所示。

表2 功放前后仿真測(cè)試結(jié)果

對(duì)比以上結(jié)果可以看出，加功放及阻抗匹配電路后的輸出功率大于無功放時(shí)輸出功率。這就說明此功率放大電路的設(shè)計(jì)達(dá)到了功率放大的效果，有效提高了換能器輸出功率。

將設(shè)計(jì)的功放和匹配電路與壓電換能器連接進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。超聲發(fā)射端采用32線陣換能器全發(fā)激勵(lì)信號(hào)，接收端為單陣元換能器。將發(fā)射端和接收端換能器均浸入水池中，間隔距離0.2 m。用示波器測(cè)試接收的波形如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)測(cè)試發(fā)射和接收波形

圖5中，激勵(lì)信號(hào)1和激勵(lì)信號(hào)2為FPGA產(chǎn)生的四脈沖電壓激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)兩級(jí)放大后輸出的幅值為30.8 V，與仿真結(jié)果基本一致。接收波1和接收波2是接收換能器輸出波形。接收波和激勵(lì)信號(hào)之間的時(shí)間間隔為561 μs。根據(jù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算收發(fā)換能器距離為：

d=340 m/s×561 μs≈0.191 m

(11)

該結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)際測(cè)試距離誤差較小，說明測(cè)試結(jié)果正確。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合小型水下超聲換能器設(shè)計(jì)了一種功率放大電路。通過仿真分析及實(shí)際測(cè)試，證明本文設(shè)計(jì)的功率放大電路設(shè)計(jì)合理，輸出信號(hào)穩(wěn)定，可有效提高超聲換能器輸出功率。同時(shí)，該電路具有電源電壓低、高頻特性好、失真小、易于陣列化設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，因此在便攜式水下?lián)Q能器超聲發(fā)射系統(tǒng)應(yīng)用方面具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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Design of the Small Underwater Acoustic Power Amplifier and Research on the Transducer Matching Technology

In accordance with the requirement of ultrasonic transmitting power upon 200 kHz small underwater acoustic piezoelectric transducer line array, the complementary push-pull power amplification circuit based on class-D power amplification principle has been designed. In addition, based on the impedance characteristics of transducer and power amplifier, impedance matching design is conducted by selecting series tuning. The simulation analysis shows that the maximum output power of the power amplifier designed is 17.47 W, and the actual tested ultrasonic transmitter signals are stronger, stable, with small interference, that means the power amplifier meets design requirement, and possesses higher applicable values.

Underwater ultrasonic piezoelectric transducer Transmitting power Class D power amplifier Complementary push-pull

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：61127008)；

國(guó)家863計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2011AA040404)。

崔娟(1992-)，女，現(xiàn)為中北大學(xué)測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事特種傳感器及儀器的研究。

TN552

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201505025

修改稿收到日期：2014-11-07。