高效率小尺寸D类功放及换能器匹配设计（可编辑）

高效率小尺寸D类功放及换能器匹配设计（可编辑） 高效率小尺寸D类功放及换能器匹配设计 哈尔滨工程大学 硕士学位 高效率小尺寸D类功放及换能器匹配设计 姓名:常永辉 申请学位级别:硕士 专业:电子与通信工程 指导教师:朴胜春;郦志友 2012-06-16高效率小尺寸类功放及换能器匹配设计 摘 要 电路相对线性电路具有效率高、尺寸小等优点,尤其适合在空间有限、热传 递 条件不良的环境中使用。本文前半部分主要描述了一种类功放的设计和实现 方法,它 利用一片集成了三角波产生、信号采样比较、驱动以及保护功能的驱动模块, 搭配关键参数专为类功放优化的功率管,能实现高效率、低失真的功率放大, 并且具有较小的尺寸,能大大减少功放电路的体积、重量及成本。 没有输出滤波器的放大器不能对幅度进行调制,它只是改变占空比,因此必 须 设计低通滤波器,来滤除高频信号,还原低频信号。本文介绍了基本的低通滤 波器设计 方法,对半桥电路和全桥电路分别给出了合适的滤波器结构形式,并简单介绍了选取滤 波元件应该注意的一些问。 本文着重部分是进行换能器的宽带匹配设计,在声学系统中看作是电信号的负载。 一般的声学系统包括功放电路、匹配网络和发射换能器三个部分,匹配网络的设计应针 对换能器的电气特性来进行。换能器使用最佳的匹配网络,能大大降低对功放电功率的 要求,进而提高功放电路效率。本文提出的宽带匹配网络设计理论,也是建立在传输线 理论基础上。谴过调谐使换能器电路变为纯阻负载,能够导出不需要附加全通函数的最 佳宽带网络匹配理论。最后通过巴特沃思匹配网络和并联模型匹配网络进行了实验,结 果表明,这种理论能得到简单的匹配网络结构,尽量发掘换能器的最大输出功率和带宽, 而且设计过程又比较简单方便。 关键词:调制;类功放;高效率;等效电路;匹配网络;低通滤波器哈尔滨工程大学硕士学位论文 ., . , ,. , , . .. . . . ., , . , . ,. .. , , :. ~??????一?一???????????二??~~~??~??一。??第章绪论 第章绪论 .立题意义和背景 随着水声技术的不断发展,拖线阵逐渐体现出其重要性。拖曳线阵一般空间尺寸较 小,为了满足其使用要求,功放电路需要具有小体积、高效率特性,并能在水下线阵狭 窄空间内长时间连续可靠工作。为满足上述要求,必须采用高效的类功放。类功 放也被称作是数字功放,主要是通过比较器产生信号,经过适当的驱动放大后, 驱动功率放大单元,通过控制开关单元的开或关,产生大功率信号,经过低通 滤 波后,还原低频原始模拟信号,最后驱动负载产生需要的电功率。 类放大器首次提出的时间是年,经过几十年的发展、进步,现在被广泛应 用。与一般的线性类功放相比,具有效率高、尺寸小等优点。最初的类功放是由 较多的分立元件振荡电路、比较电路等组合而成,最近十几年集成电路的飞速发展, 现在的类数字放大器比以前有了较大的进步,可以用一片集成电路来代替上述众多 的分立元件,在尺寸、性能和价格等方面都取得了较大的改进。 由于类功放的功率管只有导通和关闭两种状态,有驱动信号时,使功率管处于 饱和状态,由于功率管韵饱和压降很小,此时功率管耗电很低,就像一个导通的开关, 直接把发射高压电源连接至负载。没有驱动信号时,晶体管处于截止状态,不耗电。因 此,一个理想情况下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%。 在各级放大电路之间,功放电路信号源输出与负载之间,经常会用到阻抗匹配,它 反映的是输入与输出之间的功率传递关系。在功放驱动换能器时,假如负载换能器 与功放电路实现最佳的阻抗匹配,能产生最大的功率输出。没有经过良好的匹配,换能 器将产生一部分无用功率,既降低了功放效率,又使换能器陶瓷晶片温度升高,从而降 低电声转换效率,严重时可能会烧毁换能器。 压电陶瓷换能器主要负责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效率。当换能器工作在单频或窄带频 段时,常用单谐振点串联、并联方法进行匹配,当换能器需要在一个较宽的频带范围内 工作时,假若换能器本身的一带宽较窄,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。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,是本文要研究 的重点。.哈尔滨工程大学硕士学位论文 .本论文研究的主要内容 、第一部分提出本论文的立题意义和背景。 、第二章介绍高效率、小尺寸类功放设计内容。因为现在很多应用中,特别是拖曳 线阵的发展,都需要功放在体积、效率、散热方面满足使用要求。章节的后半部分通过 一些实验和数据验证了本功放的实用性。 、第三章介绍换能器的阻抗匹配设计,给出一些简单的阻抗匹配方法。 、由于最基本的串、并联匹配只适用于窄带换能器,当换能器工作在宽频带范围时, 必须根据实际情况设计合适的匹配网络。第四章主要介绍的是宽带匹配理论及设计方式, 并根据理论模式进行计算机模拟,最后根据设计需要,通过实际电路进行验证,并对实 验结果进行分析总结。 、第五章结论是对本课题进行总结。 第章高效率、小尺寸类功放设计 弟//.章 高效率、,\尺寸类功放设计 . 类功放简介 类功放也被称作是数字功放,主要是通过比较器产生信号,经过适当的驱 动放大后,驱动功率放大单元,通过控制开关单元的开或关,产生大功率信号, 经过低通滤波后,还原低频原始模拟信号,最后驱动负载产生需要的电功率。 类放大器首次提出的时间是年,经过几十年的发展、进步,现在被广泛应 用。与一般的线性类功放相比,具有效率高、尺寸小等优点。最初的类功放是由 较多的分立元件振荡电路、比较电路等组合而成,最近十几年集成电路的飞速发展, 现在的类数字放大器比以前有了较大的进步,可以用一片集成电路来代替上述众多的 分立元件,在尺寸、性能和价格等方面都取得了较大的改进。 由于类功放的功率管只有导通和关闭两种状态,有驱动信号时,使功率管处于饱 和状态,由于功率管的饱和压降很小,此时功率管耗电很低,就像一个导通的开关,直 接把发射高压电源连接至负载。没有驱动信号时,晶体管处于截止状态,不耗电。因此, 一个理想情况下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%。 由于类功放是模拟信号与三角波或锯齿波进行比较产生信号,晶体管驱动 后由低通滤波器输出,输出信号的保真度与比较信号的波形有关,而且受制于滤波器的 级数和功率损失要求,输出信号中不可避免的存在高频载波成分,另外驱动信号的死区 和时延,以及功率器件的导通、关断和体二极管恢复都需要一定的时间,不可 避免的带 来一定的非线性失真和总谐波失真。 . 类功放工作原理 一般的类功放主要由三部分组成,分别是调制比较、功率放大和输出滤波。 本文利用一片集成了三角波产生、信号采样比较、驱动以及保护功能的驱动 模块,输入正弦信号与内部三角波比较,自振荡产生信号信号频率 可调,经过死区控制死区时间可调,驱动关键参数专为类功放优化的功 奎篁组盛的兰叠趑太鱼堕猃出焦量经遒塑旦堡塑选这厦塑塾鱼塞垫墼塑萱 垒卫量医堕 电阻和输入电阻的比值成正比,即: ? /, 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图. 类功放总体框图 .功放的一些基本参数设计 ..场效应管漏.源电压 场效应管的漏一源电压。。应能满足使用要求,可按照下面的公式进行初步计 算: ? .×.厕/ 上式中,为功放输出功率;为负载阻抗大小; 为信号调制度,满功率输出时一般取%~%之间; 注意:对于一般的来说,越高,漏一源导通电阻越大,的 损耗越大,要合理选择。对于大多数场效管,的值从几十伏到几百伏。 ..场效应管损耗计算 传导损耗: ? 舌× 传导损耗与工作电流和漏一源导通电阻成正比,而随着结温的增 高而增大,所以场效管壳温越高,损耗越大。’ 开关损耗: ? ‘ 匮..一. 医‘‘。 幢‘ 味 蠕。 ? 孛 .。 ? ’‘。 开关损耗与上升时间、下降时间‘、调制频率”反向恢复二极管充、放电荷” 栅 .??笙童壹塾皇::垦里鲞垫塑堡盐 极电荷、工作电压。、场效应管驱动电压。输出电容量。。等值的大小成正 比例关系。 ..场效应管的极间电容 场效应管个电极之间的电容,通常用如下三个参数表示 输入电容; 输出电容; 反向转移电容璐; 对于一般较常用的场效应管,上述各电容值为几十到几千。场效管在使用时, 相对于驱动电路,输入阻抗为/。。,值越大阻抗越小,驱动电路的负载越重。 因此极间电容越小,场效应管的高频特性越好。值较大的场效应管不宜工作 在较高 的开关频率下。虽然场效应管是电压控制器件,即通过来控制,但是场效管正 常 工作还是需要一定的驱动电流,必要时需额外增加驱动,以增强驱动信号的 带负载能力。 .功放电路设计 本功放采用类音频驱动电路组建而成,集调制、驱动于一体,节省 器件数量、降低电路复杂性。 主要有以下特性 一封装,模拟信号输入; 正、负电流保护功能,并能自动复位; 输出驱动信号死区时间可调,~,有效降低失真; 开关噪声抑制,高信噪比; 供电时,可驱动半桥输出的功率; 频率可调,最高; .。调制频率设计 调制采用自振荡式设计,原理如下图所示:哈尔滨工程大学硕士学位论文 图. 自振荡部分设计 调制频率的大小与下列多项有关: 电容和的值 电阻的值 门驱动传播延迟 反馈电阻‰的值 占空比的大小 实际使用时可通过改变电阻、、的值来进行调节,具体数值可参考下表: 表.自振荡频率参数设计调制频率 .... . ... . 调制频率一般不小于倍的最大工作频率,即。。?。,调制频率越高,滤波 后输出波形上的锯齿就越小,信号波形就越接近原始模拟信号波形,总谐波 失真就越低; 但是过大的调制频率会增大场效应管的开关损耗,甚至过高的调制频率可能 会带来射频 干扰。 ..电路运行模式控制 驱动模块的运行模式决定于引脚电压值,共有如下种情况: 第章高效率、小尺寸类功放设计 ?时,模块处于关闭模式,输出关闭。 ,。。。。。彻时,模块的和仍处于关闭状态,.而模块开始激 活并处于本地起振状态。 时,模块解除关闭状态,和以振荡频率输出。 模 图. 引脚电压值与驱动模块运行模式的关系 利用上述功能,我们可以人为控制引脚的电压,来达到对功放的运行状态进 行控制的目的,具体控制方式见后续电路图。 ..电路保护功能控制 功放的保护功能都是基于引脚电压对运行模式进行控制的这一原理, 引脚共提供种功龇: 上电启动延迟时间设定 进入保护状态后,重新恢复启动时间设定 关闭输入设定 进入保护状态后闭锁设定 关闭输出和状态设定 ..电路过流保护设计 通过采集场效应管漏一源两端的电压值来感知负载电流的大小,当这一电压 值低于设定值时,引脚的电平通过内部的回路进行放电动作,当 时,进入关闭状态,将和置为状态,经过设定的时间后重新启动。 例正电源过流保护设定 ,正端的保护电流值为, 场效应管的漏.源导通电阻车, . ; 使 哈尔滨工程大学硕士学位论文则 / 式中.? ×× .,是二极管反向截止电压 贝:? ×:兰. 。 . ??. 十 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 一一一~一一一一一一一一一一一一一一一 图.正电源过流保护设定 上图中的反向阻断二极管的建议采用速度较快的小信号二极管, 耐压必须 大 于和一的总和。 例负端过流保护设定 场效应管的漏一源导通电阻 ,负端的保护电流值为, ; 使 贝 ×/~式中 。 贝? ×/.?. ??. 第章高效率、小尺寸类功放设计 图.负电源过流保护设定 ..功放电路死区时间设计 正常工作时,输出和为反向的两组波形有输入正弦信号时为 调制波,无输入时为调制频率方波,为防止后面的功率场效应晶体管和 产生双导,而带来毁灭性损坏,在内部加入死区时间设置。死区时间大小的设 定应 按照需求来设定,主要与场效应管的上升和下降时间有关,太小容易造成双 导现象,太 长会增大失真,并会降低功放效率。死区时间的模块引脚的电压值来设定。 图.驱动模块死区时间设定 具体的死区时间设定可通过下表进行设置。 表.驱动模块死区时间与的关系~ ,. ~. ~ ,.~. , . ~. , 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ..模块电源设计 模块的从和电源,可以由外部电源直接提供,也可以通过添加稳压 二极管来实现,本采用后者。 高压电源和一通过限流电阻后,由齐纳稳压二极管进行稳压。需要注意的是, 通过限流电阻和稳压二极管提供的正负电源电流不得小于,以满足模块供电要求。 图.电路电源设计 在类功放设计中,电源旁路很重要,不好的电源旁路会在电源线上产生纹波和毛 刺,使电路无法正常工作甚至损坏元器件,一个好的设计应该注意元件的位置、尺寸、 、纹波电流的容量等等。一般至少采用两个旁路电容来满足放大器的工作,分别滤 除电源纹波及高频干扰信号,电容应尽量靠近放大器。 ..功放开关控制及过温保护 在没有外加控制信号时,光耦输出即模拟开关的端引脚为电平, 的端引脚为电平,因而三极管满足导通条件,的引 脚通过和放电,使从而使的蚴进入关闭模式。当有外部控制信 号时,的端为电平,三极管不满足导通条件,的引脚由 内部充电,当州,时,解除关闭状态,开始正常运行。另外当热敏电阻温 度达到设定条件时,使三极管满足导通条件,进入关闭模式,当的温度低 于设定值时,解除关闭状态,开始正常运行。 第章高效率、小尺寸类功放设计 图.模块控制电路 .输出低通滤波器设计 ..增加低通滤波器的目的 功放需要一个低通滤波器来解调载波信号,即滤除高频信号,还原低频信 号。有时还可以通过使用滤波器来进行阻抗变换,使功放输出最大功率。最简单的滤波 器就是一只电感,我们可以根据实际的需要来确定滤波器的级数。有时候感性负载本身 就相当于一个滤波器;另外一些应用中,如声纳换能器,通过自身的频率响应特性,来 滤除带外频率成份,也能实现滤波器的功能。 ..半桥电路滤波器结构图图.四级单端接地滤波器结构 对于单端接地滤波器结构,一级滤波器使用一个电感,两级增加一个电容,三 级再增加一个电感,图.所示的为四级滤波器结构,不过这种结构形式只适用于半 桥放大电路。具体设计可按照下面的表格选取合适的系数进行计算。哈尔滨 工程大学硕士学位论文 表.滤波器系数表 级数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 计算公式 ? /?; ? /?; 式中的为电感系数,’为电容系数,为滤波器截止频率,为负载阻抗。 ..全桥电路滤波器结构图 对于全桥放大电路,可以引入另一个滤波器来降低负载两端的共模电压,将 单 端接地中的电感一分为二,每个半桥桥臂输出上使用一半的电感,如图.所 示: . . 亨 图.用于全桥电路的分割电感拓扑图 完美的放大电路,滤波器的输出共模电压与电感的不匹配成比例?。实际使 用时, 用两个单极性的电容代替原来的一个双极性电容,也可以取得很好的共模滤 波特性。 例本功放方案试验时驱动的发射换能器,经过电感匹配后变为纯阻负载,采 用 变压器进行阻抗变换,前级输入阻抗为 ,模拟信号频率为,调制频率为 ,来设计适合使用要求的滤波器。 根据滤波器设计原则,将滤波器的截止频率定为,按照级滤波器设计。 此时根据公式?和?分别计算出滤波器电感和电容的值。 取电感 :电容. ; 具体的滤波器结构如图.所示。 第章高效率、小尺寸类功放设计 图. 类半桥放大电路滤波器结构图 ..选取滤波器元件应注意的问题 在大功率功放电路中,滤波元件都需要是低损耗、大电流、高频率的器件。 应确保选择的器件的电流、频率满足使用要求。 设计滤波器,适宜采用聚酯电容、聚丙烯电容或陶瓷电容等。 滤波器的级数较多时,输出信号的电压和电流比输入信号要高的多。 .本章小结 下表.为线性功放和类功放在输出功率相当的情况下,效率对比: 表. 同种条件下类功放与线性功放效率对比 工作 线性功放 线性功放 线性功放 类功放 类功放 类功放 频率 输出功率 输入功率 效率 输出功率 输入功率 效率 %%.. .. .. ’ ........ .. .. .. .. 从上面的线性功放与类功放效率对比中我们可看出,线性功放的效率输出功率的 不同有较大的变化,而类功放的效率基本上是一常数,并且效率要比线性功率效率高哈尔滨工程大学硕士学位论文 的多。相对于线性功放,类功放由于效率较高,需要的散热器尺寸可以大大减少,进 而减轻整个功放电路的体积、重量和成本等,具有较大的优越性。 本方案中的类功放已用在某产品水下拖曳线阵中,样机已经制作完毕,经过多次 试验,功放电路长时间连续工作稳定可靠,效率可达%左右,能较好的满足水下线阵 所要求的小体积、高效率等设计要求。 第章压电陶瓷换能器阻抗匹配 第章 压电陶瓷换能器阻抗匹配 。换能器阻抗匹配 在各级放大电路之间,功放电路信号源输出与负载之间,经常会用到阻抗匹配,它 反映的是输入与输出之间的功率传递关系。在功放驱动换能器时,假如负载换能器 与功放电路实现最佳的阻抗匹配,能产生最大的功率输出。没有经过良好的匹配,换能 器将产生一部分无用功率,既降低了功放效率,又使换能器陶瓷晶片温度升高,从而降 低电声转换效率,严重时可能会烧毁换能器。 换能器匹配的意义主要有以下点: 谐振:一般换能器都呈容性,采用合适的电感通过串联或并联的方式,使负载 电路的等效阻抗变为纯阻性质,减少功放无用功率,提高功放效率。 阻抗变换:一般放大器的输出阻抗都比较小,几乎是阻性的。输出信号 经过低通滤波器,通常采用变压器与负载进行阻抗匹配,使输出功率达到最大。 。换能器阻抗匹配方式 换能器的阻抗匹配方式简单的来划分,主要有静态匹配和动态匹配两种方式。 .. 静态匹配 静态匹配是指通过阻抗分析仪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,设计合适的匹配电路,使之与换能器等效发生谐振。 ..动态匹配 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 最佳的谐振状态,这时可采用动态匹配方式。 动态匹配根据调节参数的不同,主要分两种: 频率跟踪:当换能器因工作环境或自身原因而导致阻抗参数发生变化时,通过 不断调整发射信号频率,使换能器始终处于最佳谐振状态。频率跟踪主要通过采集 负载两端的电流、功率以及电压电流之间相位差的方式来进行。 调节匹配参数:当换能器的工作频率人为发生改变时,阻抗参数也随之产生变 化,这时我们就需要调整匹配电路参数,使换能器在新的频率下仍然保持谐振。、哈尔滨工程大学硕士学位论文 .换能器简单的串并联阻抗匹配 ..换能器等效电路 在狭窄的谐振频率范围内,换能器的模型可以用下面的等效电路来表示:一 二 亏 图.换能器型等效电路 串联电容和电感是换能器固有参数,不同的谐振频率数值不同。 串联谐振频率可由式来表示: .广 ?““ 厶二? 一叭 在此谐振频率下,换能器等效电容的容抗与串联等效电感的感抗抵消,使换 能器阻 抗最小,此时换能器效率最高。 并联等效电容与、产生一个并联谐振频率,通常并联谐振频率比串联 谐振频率高,并联谐振频率可用下式表示: ?七屹 :兰黑 ‘ 磊?五 ..换能器串、并联等效电路转换 通常情况下,换能器的并联等效电路和串联等效电路可以任意转换,如图.所 示。一卜?忡? 图.换能器串、并联等效电路转换 图中的和是并联等效电路参数,和是串联等效电路参数,若已知, 则和可按照下述公式进行转换: ? 士?。一/瑶 第章压电陶瓷换能器阻抗匹配 ..换能器并联匹配特性 并联匹配通常使用一个电感换能器的两端并联,使电感与并联等效电容发生谐 振,此时换能器的阻抗等效为并联电阻。如果并联匹配后呈现的阻抗并联匹配 一般比较大不适合与功放电路的负载相匹配,可以通过一只变压器进行阻抗匹配,此 时可以利用变压器次级绕组的电感量代替并联匹配电感。 注意:电感的品质因数的大小必须合适,通常为~,可由下式计算得到。 ? . 如果计算出来的值太低,可用一个大小合适的电容,并联在换能器的两端,以增 大总的并联电容值,此时.相对之前变小。根据谐振的需要,适当减少变压器次级绕组 电感量的大小,直到换能器阻抗接近纯阻。 图变压器并联匹酉己不总图 例某测深仪换能器,工作频率为,为使换能器工作在最佳接收状态, 采用电感并联匹配模式。 使用阻抗分析仪测量换能器的串联等效为:一 则换能器的并联等效阻抗参数为: 凳警; 一婴.: ‘ 即并联电容为; 由于并联谐振时,.,所以百罴,此时值太低,必须 ‘. 在换能器两端并联电容来增大值,这里取。 则告警,即并联匹配电感等蒜..; ,则电容志函鬲而而; 需要增加的电容值为? 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ? ?一 . ; 图并联匹配电路参数设计 .换能器串联匹配特性 利用换能器的串联等效电路参数进行谐振匹配,简单的办法就是用一只合适 的电感 与换能器进行串联,使感抗抵消换能器串联等效电路中的容抗,在此谐振频 率下,换 能器的阻抗整体呈现阻性,接近最小值,从而使发射效率达到最大。由于串联谐振电 路较并联谐振电路增加了一只电感,负载回路电流通过电感,增加了额外损耗,降低了 功放效率。换能器的串联等效电阻通常比并联等效电阻小的多,可以降低变压器变比的 要求。当换能器负载有短路现象时,因为串联调谐有电感串在输出回路中,这样就不会 出现负载短路现象,以至于烧毁前级功放电路。 例 一发射换能器,工作频率为,为使换能器等效成一个效率达到极致 的发射体,采用电感串联谐振的工作方式,使用阻抗分析仪测量换能器的并联等效和 分别为: ,.。 根据公式?和计算串联等效电阻和等效电容为: .?? . : 一 ..? .; 。 一“” . 等等篙篓黑塑型 吾 一. 再根据公式计算出串联谐振电感为: 去面蔽聂丽景丽.; 串联谐振回路/,一般取左右。 把上述各值代入,得尝空兰竺里笔嚣等。; ~ ‘上百. 由于计算出来的值太低,这里我们取; 则警夏丽忑.蕊?: 第章压电陶瓷换能器阻抗匹配 瓦面丽丽两鬲而.; 需要的谐振电容为.,小于换能器的等效串联电容.; 根据公式×/; 得,.; 因此换能器回路里需要串联一只电容.,以减少总电容值。经过上面的计 、 算可看出,换能器的等效电路由 、.变为. .,等效电阻由明显变小,此时如果不能与电源电路阻抗相匹配,仍需添加 一只变压器进行阻抗变换,示意图如下所示: . 、 . 图.串联匹配各参数设计 .本章小结 阻抗匹配主要是为了使换能器得到最大的功率输出,以及减少功放电路无用 损耗, 提高功放效率。最常用的就是静态匹配,根据换能器的等效电路参数,使用并联或串联 的方式,设计合适的匹配电路,使之与换能器等效发生谐振;而动态匹配比较复杂,已 有一些学术论文提到了一些设计方法,本文中暂时不做研究。,哈尔滨工程大学硕士学位论文 第章 换能器宽带匹配网络 .设计匹配网络的意义 匹配网络起着阻抗变换和滤波的作用。当功放电路输出阻抗与换能器阻抗不匹配时, 功放不能实现最大电功率输出,即电功率不能有效的转移到换能器上,而且变换器输出 带宽很窄。滤波指的是模拟或数字滤波器的最佳设计弘’。在功放电路与负载间插入图. 所示的匹配网络,来有效的提高负载输出功率增益和带宽。一般采用电路作为匹配 网络,以降低额外的功率损耗。 图.匹配网络示意图 假设功放电路的输出是图.所示的电压为内阻为的阻性信号源,通 过一只理想变压器与负载进行阻抗变换,其戴维宁等效电路为图.所示。 图.功放输出电路及戴维宁等效电路 图中 . 仪;仅。 。 。压电陶瓷换能器的串联等效电路模型如图.所示,换能器两端 添加电感 进行并联匹配,电感的值为: / 第章换能器宽带匹配网络图.压电陶瓷换能器的等效电路和并联谐振电路 .换能器巴特沃思匹配 .. 巴特沃思滤波器简介 如果滤波器的幅频响应的平方与归一化频率具有式描述的形式, 则称作是 巴特沃思滤波器。 阢羔 对于带通滤波器,则有 :堕旦一堕 ‘ 、。’? 式中,为角频率; 为归一化频率; 彩。为通带中心角频率; 曰为角频率带宽; 为缈彩。点的输出增益; 为滤波器阶数。 式?是滤波器转移函数在脾轴的特性,解析延拓到归一化复平面之后, 日一雨等万 它的极点是方程如下 一”功 式?的解为 一/, 巴特沃思滤波器的转移函数为 日而 , ,,?,, ?。 、哈尔滨工程大学硕士学位论文 ? ?吼‘ .称为巴特沃思多项式。 。是多项式系数,日。 其余参数可用下面的方法求得。 把附.:写成 / 式中 ? ‖/ 利用卢”,,‖一和孙一,连乘算符号的变量水变换, 把口用另外一种形式来表达: ‖ 邪筹疆 否伊。一‖ ?‖”密矿‖ 一端郧’ 把代入等式 厕。的左和右,并使两边各幂次的系数相等,则 ‖‘,励“一/了 由此得到递推公式: ?面丽/口,肛,,,?,扩 借助式?可求得%和之外的其他系数。 能够证明多项式的系数是两端对称的,即 。一女 ? 巴特沃思多项式还可以写成下面的形式: ? ?吼”‘ .. 巴特沃思匹配网络结构 图.中并联谐振后的发射换能器看作是匹配网络图的负载。此时 谐振后的换能器是中心角频率等于机械共振角频率的梯形带通负载。 第章换能器宽带匹配网络 ? /舡五 选用的匹配网络依然是匹配网络,同样是梯形带通电路,即图中虚线框内的 部分。 扎儿一 譬饥 广 ? 一 一 ~” 譬~ 于晓????一?一一?一????一?????? ? .一 一 之 譬 广 汁 阿钉 . 一 一阿钔 一 ~一 ????? 丰 ;牛 ; 广 ? 图.压电陶瓷发射换能器的匹配电路 该网络可以是图.中的阶匹配模式,可以是图.中的阶匹配模 式,也可以是.中的阶以上的形式。计算滤波器的阶数时,要把和计 算在内,外加其他串联、并联、支路的总节数。图中虚线框划出的部分即为 图.中插 入的匹配网络。 插入的滤波器各器件参数需要满足如下关系式 ? /?象,? 巴特沃思匹配网络使换能器功率增益满足巴特沃思响应 ./十 是桥式网络的阶数,是通带中心功率增益,是低通原型的归一化频率 / 、哈尔滨工程大学硕士学位论文 是低通截止角频率,即换能器输出角频率带宽。 功率增益与幅频增益有如下关系: . / 巴特沃思功率增益的频率响应特性曲线如图.所示: ,? ‖ , \ ‖ 心 /一 ?.。’。 。~.。..../‘弋弋 ?名/‘\‘ 。。?、~ , .. . . . . 图.巴特沃思功率增益的频率响应特性 ..匹配参数计算 对于任意阶的滤波器,设计步骤如下: 求 一。三。 ? 一????百罢 。 。三一. 。一 式中是换能器固有特性,一般小于,因此一般为负数。 聪/ 求 、 为奇数 ? :?/ 【/? 为偶数 由于万一般是负数,所以,无论是奇数还是偶数,可统一为 /一 求变压器变比【 功放电路的内阻,一般都是定值,因此变压器的变压比 第章换能器宽带匹配网络 【 ? 求各匹配参数 】、,和相对于换能器是固有值,对于阶以上的滤波器,可由下面的式子计算。 “? 为奇数 【【 璺亟渊/?三坚旦堡塑壁垄旦/糕二羹喜萋?, 一 从已知的和出发推出,??和,??。 然后再由公式 ? / 求得,??和,??。 求换能器输出带宽 角频率带宽公式是 纠”衫门 ;/;/ 。。 一’,/×万 万/即×万 扛五 求幅频增益‰ / 求功率增益 / 。 ? 求输出幅频响应为 ., ‘’、 ? 颤/ 现在,根据相控阵中用到的低频凹筒弯张换能器进行匹配网络设计, 根据测 量的换 能器阻抗参数,拟合对应的等效电路参数如下: ‘,.,.,., ., 由这些数值,根据式?可算出机械共振频率/ 品质因子根据式?求得,。../., 、 不加匹配电路时带宽/.,得参数.。 下面是添加匹配电路后,滤波器从阶到阶的各参数计算结果: 胛: 万一., 。, /万., ., . 胛: 万一., 。, ., , . .,., 胛: 一., . 。,., ., 三., ., . . 哈尔滨工程大学硕士学位论文 : 万一., 。,,., ,. .,.,., ,., ., . , . 从上面的计算结果可看出:随着滤波器阶数的增加带宽逐渐变宽,由最初的. 变为.、、.、.,表明上述宽带 ‘ 匹配技术适用这种低频单模激发换能器。 ..滤波器阶数与换能器输出带宽关系 还是针对上面的低频凹筒弯张换能器进行匹配设计,按照图.所示的匹配模 式逐 渐增加滤波器的阶数,我们可看出,从阶~阶带宽大幅度增大,当时带宽最大, 之后带宽逐渐小幅度缩小。 表.滤波器阶数与换能器输出带宽关系 阶数 . . . . . . . . . 带宽 其实对于巴特沃思匹配网络,对于给定的换能器阻抗参数,可以直接求出多 少阶滤 波器使换能器输出最大带宽,方法如下: 把写成 万:?彳?一 式中, ? :兰 ?? 一 : ? 一盯一 ? 一/、 把代入,有 ? 万.一 将带入式中根号下的分母,得 磊×万万?苏一?一 ?一一】 一】 :型坠 ? \.士 一??????????????: 将式和式代入到式中,得 第章换能器宽带匹配网络 . 舀×万万:????????????掣三 【一盯一.、/一盯一盯. ? ;/州 一盯一一??一仃 再把式?代入式?,得到角频率带宽关于的表达式 ,厂???????????????????????: 国。丢?【一一?一盯一盯?赢?【可可小?邢吖卜州町 的最大值出现在导数酬苏.处。 方程别彘可化为代数方程: ???牟? 方程的解为 :、主堡二盟 。一仃、 根据换能器阻抗参数计算.,而/.,所以 :??:/、. 一. :“:. , ‘’ 得滤波器的阶数 //。~ 啪肛舶 ‰%。一./?盯】 把.代入,此时换能器的最大输出带宽为 监:?,/塑:. ? 万?三 .并联模型匹配网络 匹配网络解析理论建立在低通网络基础上,其他的如带通、带阻或高通网络都是通 过频率变换变为其低通原型,对低通原型完成设计之后,再通过元件变换变成为其对应 的网络结构。前面所讨论的巴特沃思匹配理论只针对串联模型,因为在串联模型上并联 以合适电感厶之后,变成了图.所示的带通电路。然而对于并联模型等效电路,却因 无法变成的带通电路,不能简单地套用匹配理论。 对起阻抗均衡作用的匹配网络而言,其好坏标准是在所希望匹配的带宽内反射系数 是否已经达到尽可能的小。?越小,输出功率增益就越大,也就是说,匹 配就越好。对输出内阻可变的阻性信号源来说,的大小除了决定于匹配网络本身 之外,只决定于负载输入导纳或阻抗随频率变化的特性。我们做了并联模型导纳与 其串联化近似的比较,结果表明两者在共振峰及其两侧足够宽的频率范围内 的特性是基 哈尔滨工程大学硕士学位论文 本一致的,这意味着可以用串联化近似电路替代原来的并联模型等效电路。串联化近似 与原模型在阻抗均衡角度上的等效性是并联模型匹配网络设计的主要理论依据之一。 用串联化近似来替代并联模型又同时带来了“通带高移”的不良效果。图. 和分别是串联化近似等效电路和原来的并联等效电路经阶匹配后输出幅频响应 的数值模拟结果。串联化近似幅频响应中心频率为换能器共振频率国。,但是并联模型 输出幅频响应中心频率。’却高于。,出现了明显的“通带高移”现象两者的相对带 宽基本保持不变。 ’扯么一.垒生一?。 犟上一一 洚, 州咖??寺/当 。。 删彘 ...........................::..............一 。。第章换能器宽带匹配网络 图.低通滤波器 如果令 ? 尺。。 那么的高通极点被消去,结果 雁 洚, 日熹兰 。。 。 只要。?口?国小 乘积表达式.中高通极点彩.,?。’的影响就可以忽略不计。换句话说,串接 了、图.的电路之后,通带高移现象将被消除,输出幅频响应回到图.所示的状 态。 图.是串联化近似的阶巴特沃思匹配数值模拟结果,图.是不加低通 滤波器的实验结果蓝线和数值模拟结果红线,图.是加了。, 。.心,。的低通滤波器之后的实验结果蓝线和数值模拟结果红线。 对比幅图可看出,串接了低通滤波器之后,的确避免了通带高移现象。 璎磐晕,丑 哈尔滨工程大学硕士学位论文 未加低通滤波器阶匹配结果 蜊哩芊 加低通滤波器阶匹配结果 世罂导,丑 图.某型换能器阶匹配试验结果 小结:并联模型的最佳宽带匹配网络被设计成两个部分。第部分是下移高通截止 频率的低通滤波器。因为电路中出现电阻元件,所以放在信号源的电压放大部分。第 部分是 均衡器,放在信号源与换能器之间,以实现信号源功放输出与换能器的最佳 阻抗匹配。 用图.来说明上述并联模型最佳匹配理论的效果。图。是某型换能器电导 曲线,带宽为:。如果不加匹配网络,声源的输出带宽将保持不变。图.至 图.分别为加?阶巴特沃思匹配网络的输出幅频响应,带宽分别提高到: 到:。匹配网络的作用非常明显,并不是阶数越高带宽就越大。可以证明,对于 第章换能器宽带匹配网络图.并联模型最佳匹配理论效果图 . 本章小结 一般功放电路的输出阻抗都比较小,而换能器阻抗较大,倘若不加任何匹配直接与 功放电路相连,这时换能器输出功率较低,而且只能辐射窄带的声信号。反之,根据负 载阻抗,功放电路选取合适的输出变压器,同时给换能器添加合适的匹配网络,使换能 器得到最佳匹配,将能明显扩展换能器输出带宽,同时增大输出功率。由于匹配网络一 般都采用储能元器件,因而功率损失较低。 本方案设计的巴特沃思匹配网络,比较适用于串联模型换能器,可直接套用理论, 对于并联模型换能器,必须先把并联模型转变成近似化串联模型,然后再加以匹配。 排除换能器因发热、工作环境变化等因素除外,换能器的阻抗参数基本上是固定的, 配用巴特沃思匹配网络后,所能得到的最大输出带宽是可以预知的。匹配网络的阶数并 不是越高越好,应根据实际需要合理选择。哈尔滨工程大学硕士学位论文 论 结 本文主要围绕高效率、小尺寸类功放的设计,以及为换能器设计合适的匹配网络。 本文研究的内容主要有以下几方面: 、简单说明了类功放的优越性,分析了小尺寸、高效率功放的需求性。本文采 用高集成的电路,搭配专为类功放优化的场效应管,能实现%以上的效 率,特别适用于拖曳线阵等狭窄空间、导热性能较差的环境中使用。 、在各级放大电路之间,功放电路信号源输出与负载之间,经常会用到阻抗匹配。 换能器与功放电路之间实现最佳的阻抗匹配,能产生最大的功率输出。没有经过良好的 匹配,换能器将产生一部分无用功率,不但降低电声转换效率,还增大了对功放电路的 电功率要求,必须对其进行匹配。 换能器通常有静态匹配和动态匹配两种方式,本文前者作了详细的介绍,并对换能 器串联匹配模式和并联匹配模式分别设计实际电路设计,取得了较好的效果。 、换能器不加任何匹配直接与功放电路相连,不但输出功率较低,而且只能辐射 窄带的声信号。换能器匹配方式多种多样,本文给出的巴特沃思匹配网络不但设计简单 方便,而且能明显扩展换能器输出带宽,同时增大输出功率。 本文研究的类功放设计和换能器匹配技术,是水声领域不可或缺的两个研究内容, 研究结果取得了较好的成果,为以后的设计工作打下了良好的基础,本人日后将吸取前 辈们和同行们的宝贵经验,为水声事业贡献自己的一分微薄力量。高效率小 尺寸类功放及换能器匹配设计 参考文献 高性能高功率类驱动器.世界电子元件,, “ ” . .“”. 【 .://...【 ,? ” ”. ://...【 , ””.://... 陈惠开,宽带匹配网络的理论和设计,人民邮电出版社, 【,. “ ”, .,.?,.? 【高天赋,压电陶瓷换能器的等效电路及最佳宽带匹配网络,内部资料 【】伟健电子,大功率混合电路数据,技术资料 压电陶瓷换能器的阻抗匹配设计,公司.技术资料【,..“”,,.. 【,..“ ”, . ..,. ,.? . 【,.. “”, .,.,. 【、,.“ .,., ”, .【. ,“ ”, ,? ..,? .. .,“ ”,....,【..,“? ”, :.一,.,.?:【., , , ,.?, ”,’ .,“? ., .哈尔滨工程大学硕士学位论文 ...,“ ? ”, ., .,.,.”, 【】.,“ ,., , .? 【..,“ ”,.,.,.,【.,“”, , ,【】..,“. ”, .,.一,.,. ?【.. ..,“ . ”, ? .,., ... 【郑君里,应启珩和杨为理,信号与系统,下册,高等教育出版社,, .,“ ”,.,.,. .二,。,“ ”,,.,. ,.?,.,‘‘”,... ..,.,.,., 水声换能器理论基础,海声公司内部技术资料 【吴运发,水声宽带换能器匹配技术研究,声学技术, 黄香馥,宽带匹配网络,西北电讯工程学院出版社, 【陈轶鸿,孙琰,肖良勇,郭渭盛,宽带天线阻抗匹配网络设计中的实频法,电 子学 报, 【罗胜钦,网络综合原理,同济大学出版社, 【】吕玉琴,网络分析与综合,机械工业出版社, 【徐均,纵振换能器拓宽带宽的方法综述叨,声学与电子工程,,第期 【周利生,胡青,水声发射换能器技术研究综述【,哈尔滨工程大学学报,, 【陈轶鸿,孙琰,肖良勇,郭渭盛,宽带天线阻抗匹配网络设计中的实频法,电 子学 报, 【梁臣,基于超带宽技术的远程水声通信叨,声学技术,, 李宁,陈建峰,各种水下声源的发声机理及其特性,声学技术,, 高效率小尺寸类功放及换能器匹配设计 致 谢 时光飞速,转眼间就要工程硕士学业就要结束了,一时间感慨万千,感激之情不禁 油然而生。 首先我要感谢我的师傅贾维忠研究员,多年来对我悉心教导,不仅仅是在工作上, 而且在生活上也提供了许多无微不至的照顾。在他的悉心指导和严格要求下,使本人的 技术能力得到了长足进步,在此我要再次感谢他对我的培养。同时我要感谢郦志友主任, 多年来亦师亦友,在我的日常学习过程中提供了非常多的帮助,对论文的选题、设计各 个环节都给与了支持。还要感谢公司的各位领导,是他们给我们提供了进修的机会,也 提供了大量的人力、财力和物力,操劳了不少心血。最后要感谢我的校内导师朴胜春教 授,在课题设计的过程中给与了大量的指导,以及学校的各位授课老师以及导师,感谢 你们不辞辛苦向我们传授知识,在此向你们表达我最诚挚的谢意。 最不能忘记感谢的是我的父母,二十多年来,辛辛苦苦将我抚养成人,多年来省吃 俭用供我上学,在这里我要发自内心的说一声我爱你们。 感谢小组里所有的同事们,感谢你们在我日常工作学习中提供的帮助