水下d类和数字功放的功率输出和宽带

水下d类和数字功放的功率输出和宽带

随着声音通信技术的发展，局外通信设备开始逐步安装。为了满足实际的使用要求，功能放炮设备必须体积小、效率高，并在水中长时间可靠工作。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-3dB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2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D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。1比较器的滤波器设计D类功放也被称作是数字功放,主要由3个部分组成,PWM调制比较,功率放大和输出滤波,如图1。一个理想D类功放的效率可以达到100%,实际应用中可以实现90%以上的效率,而B类功放的效率为78.5%,A类功放的效率最大不会超过50%。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1/2,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1∶1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1∶1;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1∶1。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PWM波形,音频信息被调制到脉冲波形中。第二部分就是D类功放,这是一个脉冲控制的大电流开关放大器,把比较器输出的PWM信号变成高电压、大电流的大功率PWM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PWM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,RC结构的低通滤波器电阻会耗能,不能采用,必须使用LC低通滤波器。当占空比大于1∶1的脉冲到来时,C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2所示。设计滤波器时应考虑电磁干扰(ElectromagneticInterference,EMI),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EMI。2换能器匹配网络的作用换能器匹配问题一直是宽带水声信号发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。2.1动态电容联抗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:在图3中,并联电路是由一个静态电容C2和一个串联支路组成。串联支路是由一个动态电感L1、动态电容C1和一个动态电阻RL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2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匹配电容的计算根据换能器的等效模型我们可以写出其阻抗没接匹配时,计算负载的相位如图4,可以看到在工作频带内,相位接近90°,故如果没有接匹配电路,会有较大的无功功率,功率传输效率低。换能器的匹配电路图如图5所示,由于换能器在工作频带内呈容性,并且纯电感元件不会造成能量的损耗,并接一个电感来调节负载阻抗,从而使功率放大器的输出效率最高。匹配电感能使换能器在谐振频率附近时,相位接近为0。所以,求得L2=1.33mH,匹配后的相位,如图6所示,从图上可以看到,匹配后的相位从20kHz到26kHz内都可以减小在45°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(20kHz,26.4kHz),品质因数可由公式其中f1,f2分为为频段的2个边界,f0为谐振频率,可以求出为Q=3.56。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48.2dB。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2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3所示。从上述2个表格中可以看出,未加匹配时,由于电流和电压的有效值虽然都比较大,但是由于存在较大的相位差,所以换能器的功率比较低,而且传输的效率很低。当加了匹配后,由于流过换能器的电流和电压的相位差得到改善,换能器的功率得到提高,无功功率的减少,从而使整个系统的传输效率得到很大的提升。2.3功放的等效电路如果负载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D类功率放大器来说,输出的信号是PWM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。(1)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RL,测量输出电压值为:VO∞;若输出回路并接负载RL,则输出测量值为:VOL;则可用下式计算功放输出电阻。值得注意的是测量时,应保证输出波形不失真,并且RL的选取应该尽量跟功放的输出电阻接近,以减小误差。(2)换能器的等效并联电阻换能器的谐振频率为22.8kHz,在谐振频率的点,换能器L1和C1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L2能在谐振频率点抵消静态电容C2的作用,就可以得到等效并联电阻。(3)计算匝数比假设功放的输出电路是如图7所示的电压Vg内阻为Rg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8所示。其中Vs=N*Vg,Rs=N2*Rg,当Rs与换能器匹配后的等效电阻RL相等时候,换能器获得的功率最大,计算得到匝数比为1∶8左右。2.4简单匹配电抗从上述的匹配后相位可以看到如图8所示,在靠近20kHz的相位为正,而靠近30kHz的相位为负,所以可以添加一个电容和一个电感,在靠近20kHz呈容性,在靠近30kHz呈感性来抵消简单匹配残留的电抗,电路图如图9所示。先用电感L2抵消换能器的大部分容性,当L2电感值为1.264mH时,用公式计算出电抗值。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L3=10.09mH,串联电容C3=4.36nF,计算出匹配后的电抗值以及相位值,其相位变化曲线如图10所示。从图10中可以看出,改进后的电路相位有很大的提高,从20kHz到28.5kHz内相位都能在20°以内,使在更大频带范围内负载呈纯电阻特性。3等效功率输送系统本文主要设计了D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