原创 声纳功率放大器的研究

声纳功率放大器的研究

摘要：功率放大器是一种把直流能量转换为交流能量为交流能量的能量变换装置。如何提高能量转换效率，是设计该类放大器的重点和难点。介绍了一种开关功率放大器，其能量转换率可达90％。

关键词：功率放大器；效率；晶体管

中图分类号：TN722.7+5 文献标识码：A 文章编号：1003-353X（2005）10-0070-03

1 前言

晶体管开关功率放大器就是把晶体管作为开关元件的功率放大器，与SCR相比具有巨大的优势，不但效率高，而且工作频率高、负载变化能力强、抗干扰能力强、不需要复杂的保护装置等。若负载使用电声换能器则更能显示其超常的优越性。这是因为当电声换能器工作在谐振频率时，可以等效于电容与电阻的并联回路。在发送信号时，只需添加一个匹配电感，就可以在负载上获得正弦信号。

2 工作原理

功率放大器是一种能量变换装置。在理想状态下，晶体管相当于一个开关（如图1(a)所示）。开关K交替通断，则在负载R上产生连续的脉冲波，可将E上的直流能量转换为负载R上的交流能量。如果忽略接通时K的接触电阻，则交流能量全加在负载R上，所以能量转换率为100％。

如果用晶体管代替开关K的接触电阻，则交流能量全加在负载R上，所以能量转换率为100%。

如果用晶体管代替开关K（如图（b）），在其基极输入方波信号。当输入信号处于高电平时，晶体管的基极电流Ib ≥βIc，晶体管饱和导通，这是管子的压降即为饱和压降Vces，该值极小，约为0.1V。

集电极的耗散功率Pc是集电极电压ec与电流ic的乘积再一个周期T内的平均值，即图1（b）中，晶体管在整个导通的半个周期内均处于饱和状态。此时，即

使ic较大，但ec≈Vces，使得Pc仍然是较小值。

当输入信号处于低电平时，晶体管截至。如果不考虑管子的楼电流，电源电压E全部加在管子上，所以，ec=Ec。此时ic=0，Pc=0，由于没有电流，电源不输出功率，即管子不消耗功率。可见，在整个周期内，电源的输出几乎全部被负载吸收，故具有较高的效率。但是，要使管子工作在饱和状态，就需要较大的积极电流，造成积极损耗较大。

晶体管开关功率放大器的工作原理如图2所示。为使阻抗匹配，获得最佳输出功率，在晶体管的集电极接入变压器BT。当晶体管的基极输入方波信号，且其幅值足以使负荷开关管G1，G2导通且进入饱和状态时，在集电极获得反相的方波信号。该信号通过变压器BT耦合到次级回路。次级是一个LC串联谐振回路，可涉及其谐振频率等于方波的基波频率。于是在负载电阻RL上可获得基波正弦信号，而方波的高次谐波则被匹配电感L吸收。

3 设计实例

以测距仪发射机功放级为例，其负载是电声换能器，可等效为电阻R0和电容C0的并联回路（如图3）。开关功率放大器用于这样的负载更显出优越性；输出回路只需一个与电容C0组成串联谐振的匹配电感，使其谐振频率等于换能器的谐振频率，即可构成串联匹配（也可用于并联匹配），则在换能器上就能输出正弦波信号。

3.1 已知条件

电声换能器等校参数：C0＝125000pF；RL＝150Ω；fp＝10kHz；换能器上输入电功率P0＝40W；工作频率为换能器的谐振频率。由于功率P0＝40W，选择单脉冲开关功率放大器，其电路原理如图2所示。

3.2 参数计算

取电源电压E0＝25V，放大器的功率η＝90％。

（1） 电源的输出功率：

（2） 晶体管的等效负载电阻R0 通常Uces＝2V，代入上式得：R0＝5.2Ω

（3） R0的基波电流I1

（4） 电源电流ID

（5） 晶体管集电极消耗功率Pc；

（6） 选晶体管

由于集电极接有输出变压器，取Uceo＝2Ec；集电极电流在脉冲信号下工作时允许超过（2～3）ICM；集电极允许功耗PCM>PC。根据以上原则可选择3DA98，取电流放大倍数β＝10，需要的基极电流

（7） 匹配电感L

3.3 试验结果

试验电路如图2。晶体管选用3DA87C和3DA98的复合管。改变电源电压Ec，测量数据见表1。

由表1可以看出，随着电源电压Ec的增加，效率η也得到了提高。

4 结束语

在研究超声测距仪过程中，常采用该类单脉冲功率放大器作为功放级，取得了很好的效果。