水下d類和數(shù)字功放的功率輸出和寬帶

水下d類和數(shù)字功放的功率輸出和寬帶

隨著聲音通信技術(shù)的發(fā)展，局外通信設(shè)備開始逐步安裝。為了滿足實(shí)際的使用要求，功能放炮設(shè)備必須體積小、效率高，并在水中長(zhǎng)時(shí)間可靠工作。壓電陶瓷換能器主要負(fù)責(zé)在電信號(hào)與聲信號(hào)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換,換能器擁有最佳的匹配網(wǎng)絡(luò),能輸出最大的發(fā)射功率,從而得到最高的功放功率。當(dāng)換能器需要在一個(gè)較寬的頻帶范圍內(nèi)工作時(shí),假設(shè)換能器本身的-3dB帶寬較窄,這時(shí)我們需要在功放與換能器之間連接一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò),來提高換能器的輸出功率和帶寬,并提高功放效率。為了得到一個(gè)較平穩(wěn)的發(fā)射響應(yīng)曲線,文獻(xiàn)提出通過巴特沃斯濾波器來等效的匹配網(wǎng)絡(luò);文獻(xiàn)提出一種通過串并聯(lián)2個(gè)電感來對(duì)電壓特性的峰點(diǎn)和谷點(diǎn)補(bǔ)償;最簡(jiǎn)單的匹配網(wǎng)絡(luò)是通過串聯(lián)一個(gè)電感來抵消換能器的大部分容性。在很多實(shí)際應(yīng)用中,需要換能器具有滿足使用要求的帶寬,追求高效率、小體積、低失真的D類功放,以及如何更好的對(duì)壓電陶瓷換能器進(jìn)行匹配,來獲得更大的功率增益和帶寬,是本文研究的重點(diǎn)。1比較器的濾波器設(shè)計(jì)D類功放也被稱作是數(shù)字功放,主要由3個(gè)部分組成,PWM調(diào)制比較,功率放大和輸出濾波,如圖1。一個(gè)理想D類功放的效率可以達(dá)到100%,實(shí)際應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn)90%以上的效率,而B類功放的效率為78.5%,A類功放的效率最大不會(huì)超過50%。第一部分為調(diào)制器,最簡(jiǎn)單的只需要用一只運(yùn)放構(gòu)成比較器即可完成。把原始音頻信號(hào)加上一定直流偏置后放在運(yùn)放的正輸入端,另通過自激振蕩生成一個(gè)三角波加到運(yùn)放的負(fù)輸入端。當(dāng)正端上的電位高于負(fù)端三角波電位時(shí),比較器輸出為高電平,反之則輸出低電平。若音頻輸入信號(hào)為零、直流偏置三角波峰值的1/2,則比較器輸出的高低電平持續(xù)的時(shí)間一樣,輸出就是一個(gè)占空比為1∶1的方波。當(dāng)有音頻信號(hào)輸入時(shí),正半周期內(nèi),比較器輸出高電平的時(shí)間比低電平長(zhǎng),方波的占空比大于1∶1;負(fù)半周期間,由于還有直流偏置,所以比較器正輸入端的電平還是大于零,但音頻信號(hào)幅度高于三角波幅度的時(shí)間卻大為減少,方波占空比小于1∶1。這樣,比較器輸出的波形就是一個(gè)脈沖寬度被音頻信號(hào)幅度調(diào)制后的波形,稱為PWM波形,音頻信息被調(diào)制到脈沖波形中。第二部分就是D類功放,這是一個(gè)脈沖控制的大電流開關(guān)放大器,把比較器輸出的PWM信號(hào)變成高電壓、大電流的大功率PWM信號(hào)。能夠輸出的最大功率有負(fù)載、電源電壓和晶體管允許流過的電流來決定。第三部分需把大功率PWM波形中的聲音信息還原出來。方法很簡(jiǎn)單,只需要用一個(gè)低通濾波器。但由于此時(shí)電流很大,RC結(jié)構(gòu)的低通濾波器電阻會(huì)耗能,不能采用,必須使用LC低通濾波器。當(dāng)占空比大于1∶1的脈沖到來時(shí),C的充電時(shí)間大于放電時(shí)間,輸出電平上升;窄脈沖到來時(shí),放電時(shí)間長(zhǎng),輸出電平下降,正好與原音頻信號(hào)的幅度變化相一致,所以原音頻信號(hào)被恢復(fù)出來,如圖2所示。設(shè)計(jì)濾波器時(shí)應(yīng)考慮電磁干擾(ElectromagneticInterference,EMI),在開關(guān)頻率處、開關(guān)頻率的倍頻處存在很強(qiáng)的諧波能量,如果不對(duì)這部分諧波分量進(jìn)行抑制,就會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的輻射性EMI。2換能器匹配網(wǎng)絡(luò)的作用換能器匹配問題一直是寬帶水聲信號(hào)發(fā)射研究的重要研究方向,尤其是低頻、寬帶、大功率的發(fā)射換能器的匹配技術(shù)是現(xiàn)代水聲發(fā)展的重要技術(shù)環(huán)節(jié),也是一直存在的難題。匹配的好壞不僅會(huì)影響換能器的輸出功率,也會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)射效率,有時(shí)還會(huì)導(dǎo)致?lián)Q能器的損壞。匹配網(wǎng)絡(luò)是使性能良好的換能器和功率放大器發(fā)揮最高效能的橋梁和紐帶。換能器匹配的作用有:一是使信號(hào)源輸出電流和電壓同相,以減少電路中的無功分量,使信號(hào)源的輸出功率盡可能轉(zhuǎn)化為換能器的發(fā)射功率,提高整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)的效率;二是最佳阻抗匹配是使整個(gè)電路的有功電阻和信號(hào)源輸出電阻接近,以達(dá)到最佳輸出功率。2.1動(dòng)態(tài)電容聯(lián)抗在水聲換能器的諧振頻率范圍內(nèi),換能器的等效模型可以用下面的等效電路來表示:在圖3中,并聯(lián)電路是由一個(gè)靜態(tài)電容C2和一個(gè)串聯(lián)支路組成。串聯(lián)支路是由一個(gè)動(dòng)態(tài)電感L1、動(dòng)態(tài)電容C1和一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻RL組成。當(dāng)處于諧振頻率時(shí),動(dòng)態(tài)電感和動(dòng)態(tài)電容的作用抵消,可以等效為一個(gè)靜態(tài)電容和一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻并聯(lián)組成。換能器的阻抗是隨頻率在變化的,由于靜態(tài)電容一般都比較大,所以換能器在工作頻帶內(nèi)成容性。換能器的匹配方式總體上來分,主要有靜態(tài)匹配和動(dòng)態(tài)匹配2種方式。靜態(tài)匹配是指通過測(cè)出換能器的等效電路參數(shù),然后根據(jù)這一參數(shù),使用并聯(lián)或串聯(lián)的方式,設(shè)計(jì)出合適的匹配電路,使之與換能器在某一固定的頻率發(fā)生諧振;動(dòng)態(tài)匹配是指當(dāng)換能器的阻抗參數(shù)變化較大時(shí),采用固定的匹配電路,很難保證換能器始終處于最佳的諧振狀態(tài),這時(shí)要采用動(dòng)態(tài)匹配方式來達(dá)到諧振的目的。有了以上的知識(shí),現(xiàn)在我們來設(shè)計(jì)匹配電路。2.2匹配電容的計(jì)算根據(jù)換能器的等效模型我們可以寫出其阻抗沒接匹配時(shí),計(jì)算負(fù)載的相位如圖4,可以看到在工作頻帶內(nèi),相位接近90°,故如果沒有接匹配電路,會(huì)有較大的無功功率,功率傳輸效率低。換能器的匹配電路圖如圖5所示,由于換能器在工作頻帶內(nèi)呈容性,并且純電感元件不會(huì)造成能量的損耗,并接一個(gè)電感來調(diào)節(jié)負(fù)載阻抗,從而使功率放大器的輸出效率最高。匹配電感能使換能器在諧振頻率附近時(shí),相位接近為0。所以,求得L2=1.33mH,匹配后的相位,如圖6所示,從圖上可以看到,匹配后的相位從20kHz到26kHz內(nèi)都可以減小在45°以內(nèi)。根據(jù)匹配后的電路計(jì)算計(jì)算出等效的系統(tǒng)函數(shù),可以求得頻段范圍為(20kHz,26.4kHz),品質(zhì)因數(shù)可由公式其中f1,f2分為為頻段的2個(gè)邊界,f0為諧振頻率,可以求出為Q=3.56。帶內(nèi)增益包括三部分的增益———功放增益、變壓器增益、匹配電路增益,增益為48.2dB。在沒有加入匹配電感時(shí),測(cè)量電源供給電壓、電流與功率和換能器的電壓、電流與功率,并計(jì)算效率分別如表2所示。加了匹配電感后,測(cè)量供電電流、電壓和功率與換能器的電流、電壓和功率,并計(jì)算效率值,分別如表3所示。從上述2個(gè)表格中可以看出,未加匹配時(shí),由于電流和電壓的有效值雖然都比較大,但是由于存在較大的相位差,所以換能器的功率比較低,而且傳輸?shù)男屎艿?。?dāng)加了匹配后,由于流過換能器的電流和電壓的相位差得到改善,換能器的功率得到提高,無功功率的減少,從而使整個(gè)系統(tǒng)的傳輸效率得到很大的提升。2.3功放的等效電路如果負(fù)載電阻和功率放大器的輸出電阻相差很大,就會(huì)導(dǎo)致阻抗失配,影響功率放大器的輸出功率以及效率。一般是通過變壓器的阻抗變換,達(dá)到功放輸出阻抗和換能器的阻抗接近的目的。對(duì)于D類功率放大器來說,輸出的信號(hào)是PWM信號(hào),含有大量的諧波成分,好的匹配網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)V除多余的頻率成分,減輕功放負(fù)擔(dān)。(1)功率放大器的輸出阻抗測(cè)量若信號(hào)源輸出一定頻率和大小的信號(hào)作為功放的輸入信號(hào),當(dāng)輸出回路不并接負(fù)載RL,測(cè)量輸出電壓值為:VO∞;若輸出回路并接負(fù)載RL,則輸出測(cè)量值為:VOL;則可用下式計(jì)算功放輸出電阻。值得注意的是測(cè)量時(shí),應(yīng)保證輸出波形不失真,并且RL的選取應(yīng)該盡量跟功放的輸出電阻接近,以減小誤差。(2)換能器的等效并聯(lián)電阻換能器的諧振頻率為22.8kHz,在諧振頻率的點(diǎn),換能器L1和C1產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)電感和動(dòng)態(tài)電容的作用會(huì)抵消。如果并聯(lián)的電感L2能在諧振頻率點(diǎn)抵消靜態(tài)電容C2的作用,就可以得到等效并聯(lián)電阻。(3)計(jì)算匝數(shù)比假設(shè)功放的輸出電路是如圖7所示的電壓Vg內(nèi)阻為Rg的阻性信號(hào)源,通過一只變壓器與負(fù)載進(jìn)行阻抗變換,其戴維南等效電路圖如圖8所示。其中Vs=N*Vg,Rs=N2*Rg,當(dāng)Rs與換能器匹配后的等效電阻RL相等時(shí)候,換能器獲得的功率最大,計(jì)算得到匝數(shù)比為1∶8左右。2.4簡(jiǎn)單匹配電抗從上述的匹配后相位可以看到如圖8所示,在靠近20kHz的相位為正,而靠近30kHz的相位為負(fù),所以可以添加一個(gè)電容和一個(gè)電感,在靠近20kHz呈容性,在靠近30kHz呈感性來抵消簡(jiǎn)單匹配殘留的電抗,電路圖如圖9所示。先用電感L2抵消換能器的大部分容性,當(dāng)L2電感值為1.264mH時(shí),用公式計(jì)算出電抗值。再通過串聯(lián)電容和電感來抵消一個(gè)最大值和一個(gè)最小值,計(jì)算得串聯(lián)電感L3=10.09mH,串聯(lián)電容C3=4.36nF,計(jì)算出匹配后的電抗值以及相位值,其相位變化曲線如圖10所示。從圖10中可以看出,改進(jìn)后的電路相位有很大的提高,從20kHz到28.5kHz內(nèi)相位都能在20°以內(nèi),使在更大頻帶范圍內(nèi)負(fù)載呈純電阻特性。3等效功率輸送系統(tǒng)本文主要設(shè)計(jì)了D類功率放大器,以及換能器的匹配電路。為了防止高頻輻射和還原信號(hào),輸出信號(hào)在通過一個(gè)濾波器濾除高頻成分。匹