水聲換能器功放與匹配電路的設(shè)計(jì)

王偉 李錦華

摘要

由于D類功放輸出需采用低通濾波器消除高頻信號(hào)，恢復(fù)聲音信號(hào)因?yàn)樗晸Q能器為容性負(fù)載，會(huì)導(dǎo)致無功功率增大，所以必須要進(jìn)行匹配電路設(shè)計(jì)。進(jìn)行匹配電路設(shè)計(jì)可降低換能器無功功率，將功放效率大幅度提升，可促使水聲換能器高效穩(wěn)定運(yùn)行。

【關(guān)鍵詞】功放 匹配電路 阻抗 相位

1 水聲功放概述

水聲功放不論是在軍事領(lǐng)域還是在民用領(lǐng)域，都發(fā)揮著極其重要的作用?？蓮V泛應(yīng)用于水聲系統(tǒng)測試、海洋資源探測、地形地貌掃描、漁業(yè)探測、航道規(guī)劃以及碼頭垃圾清理等民用技術(shù)領(lǐng)域。水聲功放的最大作用就是可以將信號(hào)功率放大，驅(qū)動(dòng)水聲換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)，與此同時(shí)向水里面輻射出充足能量的聲信號(hào)。伴隨科技的持續(xù)發(fā)展與進(jìn)步，功放已經(jīng)從一開始的電子管功放逐步發(fā)展到二代晶體管功放，接著發(fā)展到了場效應(yīng)晶體管功放，最終發(fā)展到了數(shù)字功放，數(shù)字功放還被叫作D類功率放大器。在這之中，前面三個(gè)功放屬于線性模擬功放，而后面一個(gè)功放屬于數(shù)字開關(guān)功放。

2 D類功放的基本原理

簡單地說，所謂的D類功放實(shí)際上還被稱之為數(shù)字功率放大器，這種功放是由三個(gè)部分構(gòu)成的，PWM調(diào)制對(duì)比，輸出濾波與功率放大。好的D類功率放大器效率能夠達(dá)到百分之百，在現(xiàn)實(shí)運(yùn)用過程中可達(dá)到90%的效率，而AB類功放效率就相對(duì)比較低了。

（1）調(diào)制器，僅僅需采用一只運(yùn)放組成比較器就能夠做好。

（2）D類功率放大器，是一個(gè)脈沖控制大電流開關(guān)放大器，將比較器輸出的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為大電流與高電壓大功率PWM信號(hào)。

（3）需將大功率PWM波形里面的聲音信息恢復(fù)，就需要采用低通濾波器?？墒?，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候電流較大，RC結(jié)構(gòu)低通濾波器電阻會(huì)消耗能源，無法使用，需要運(yùn)用LC低通濾波器。

3 設(shè)計(jì)水聲換能器匹配電路分析

3.1 匹配方法

通常而言，水聲換能器諧振頻率范疇以內(nèi)，換能器等效模型可通過等效電路來展示：并聯(lián)電路的構(gòu)成是一個(gè)靜態(tài)電容C2與串聯(lián)支路。其中串聯(lián)支路就是通過一個(gè)動(dòng)態(tài)電感L1、動(dòng)態(tài)電阻RL、動(dòng)態(tài)電容C1所組和而成的。倘若處在諧振頻率的時(shí)候，動(dòng)態(tài)電感與電容作用相互抵消，能夠等效成一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻與靜態(tài)電容并聯(lián)構(gòu)成。換能器阻抗是伴隨著頻率的變化而改變的，因?yàn)殪o態(tài)電容很大，因此換能器在工作頻帶里面成容性。換能器匹配方法包含了靜態(tài)與動(dòng)態(tài)匹配法。靜態(tài)匹配方法就是借助檢測出來的換能器等效電路參數(shù)，接著按照該參數(shù)，采用串聯(lián)和并聯(lián)的方法，設(shè)計(jì)出恰當(dāng)?shù)钠ヅ潆娐?，讓其和換能器在某個(gè)固定的頻率產(chǎn)生諧振。而動(dòng)態(tài)匹配就是說倘若換能器阻抗參數(shù)變化大，那么運(yùn)用固定匹配電路難以確保換能器一直處在最好的諧振狀態(tài)，此時(shí)必須要借助動(dòng)態(tài)匹配方法實(shí)現(xiàn)諧振。

3.2 匹配水聲換能器

依照換能器等效模型，可得出阻抗Z=R+jX=，按照匹配的基本原理，當(dāng)換能器諧振的時(shí)候，電抗X就等于0，也就是w等于w_x等于，那么串聯(lián)支路里面單單剩下了R_L電阻。

在未接匹配的時(shí)候，在工作頻帶里面，相位接近90度，因此假設(shè)未接匹配電路，就會(huì)產(chǎn)生很大的無功功率，功率傳輸效率不高。因?yàn)閾Q能器在工作頻帶里面呈容性，同時(shí)純電感元件不會(huì)導(dǎo)致能量消耗問題產(chǎn)生，且接一個(gè)電感調(diào)整負(fù)載阻抗，進(jìn)而讓功放的輸出效率提升。匹配電路可以讓換能器在諧振頻率附近的時(shí)候，相位近似于0。因此，，可以計(jì)算出L₂等于1.33mH，匹配以后的相位，見圖1。匹配以后相位由20KHZ至26KHZ內(nèi)均能夠降低到45度內(nèi)。按照匹配以后電路計(jì)算得出等效系統(tǒng)函數(shù)，可計(jì)算出頻段范疇是20KHZ，而品質(zhì)因數(shù)根據(jù)公式：，在這之中f₁，f₂是頻段的兩個(gè)邊界，而f₀是諧振頻率，因此可計(jì)算出Q等于3.56。在未增加匹配電感的時(shí)候，因?yàn)殡妷?、電流有效值很大，可因?yàn)橄辔徊畲?，因此換能器功率低，同時(shí)傳輸效率不高。添加匹配電感以后，因?yàn)榱鬟^換能器的電壓以及電流相位差得到了有效的改進(jìn)，換能器功率增加了，縮減了無功功率，提高了傳輸效率。

3.3 阻杭匹配

倘若負(fù)載電阻與功放輸出電阻差值較大，必然會(huì)造成阻抗失配，從而對(duì)功放輸出功率帶來很大的影響。通常是經(jīng)過變壓器阻抗變換，實(shí)現(xiàn)功放輸出阻抗與換能器阻抗接近。對(duì)D類功放而言，輸出信號(hào)為PWM信號(hào)，包含了很多的諧波成分，優(yōu)質(zhì)的匹配網(wǎng)絡(luò)可以消除剩下的頻率成分，將功放負(fù)擔(dān)減輕。

（1）功放輸出阻抗檢測。假設(shè)用信號(hào)源輸出信號(hào)當(dāng)成功放輸入信號(hào)，而輸出回路并不并接負(fù)載RL，檢測輸出電壓值是V_0∞;假設(shè)輸出回路并接負(fù)載R_L，那么輸出檢測值就是V_0L，那么可以運(yùn)用以下公式計(jì)算出功放輸出電阻。，需要注意的一點(diǎn)就是檢測的過程中，需確保輸出波形不會(huì)失真，同時(shí)R_L需要盡可能接近功放輸出電阻，降低誤差。

（2）換能器等效并聯(lián)電阻。簡單來說，換能器諧振頻率是22.8KHZ，換能器L₁，C₁生成的動(dòng)態(tài)電容與電感作用相抵消。假設(shè)并聯(lián)電感L₂可以在諧振頻率點(diǎn)將靜態(tài)電容作用抵消，就能得出等效并聯(lián)電阻。

（3）倘若功放輸出電路中的電壓V_g內(nèi)阻是R_g阻性信號(hào)源，經(jīng)過一只變壓器和負(fù)載轉(zhuǎn)變阻抗。在等效電路中V_s=N*V_g，R_s=N²*R_g，假設(shè)R_S和換能器匹配以后等效電阻R_L一致時(shí)，換能器得到的功率就是最大的，其匝數(shù)比就是1：8。

3.4 改善的匹配電路

根據(jù)以上匹配以后的相位，可了解到在接近20kHz的相位是正的，而接近30kHz的相位是負(fù)的，因此，可增加一個(gè)電感與電容，在接近20KHZ呈容性，在接近30KHZ呈感性消除匹配剩下的電抗。通過電感L₂消除換能器容性，假設(shè)L₂電感值是1.264mH，借助公式可以將電抗值求出來。接著經(jīng)過串聯(lián)電感與電容消除最大值與最小值，求出串聯(lián)電感L₃為10.09mH，而串聯(lián)電容C₃為4.36nF，求出匹配以后的電抗值與相位值。因此，此次改善以后的電路相位得到了一定的提升。

4 結(jié)束語

此次設(shè)計(jì)了D類功放與換能器匹配電路，為避免高頻輻射與信號(hào)還原，輸出信號(hào)經(jīng)過濾波器消除高頻成分。此次匹配內(nèi)容就是諧振調(diào)節(jié)，換能器借助匹配等效成一個(gè)阻元件，也就是將電壓與電流相位差縮減，獲取到高效率。匹配阻抗，通過變壓器變換等效阻抗，得到高功率輸出。