水声换能器功放与匹配电路的设计

作者：王伟 李锦华

来源：《电子技术与软件工程》2018年第17期

        摘要

        由于D类功放输出需采用低通滤波器消除高频信号，恢复声音信号因为水声换能器为容性负载，会导致无功功率增大，所以必须要进行匹配电路设计。进行匹配电路设计可降低换能器无功功率，将功放效率大幅度提升，可促使水声换能器高效稳定运行。

        【关键词】功放 匹配电路 阻抗 相位

        1 水声功放概述

        水声功放不论是在军事领域还是在民用领域，都发挥着极其重要的作用。可广泛应用于水声系统测试、海洋资源探测、地形地貌扫描、渔业探测、航道规划以及码头垃圾清理等民用技术领域。水声功放的最大作用就是可以将信号功率放大，驱动水声换能器将电信号转换为声信号，与此同时向水里面辐射出充足能量的声信号。伴随科技的持续发展与进步，功放已经从一开始的电子管功放逐步发展到二代晶体管功放，接着发展到了场效应晶体管功放，最终发展到了数字功放，数字功放还被叫作D类功率放大器。在这之中，前面三个功放属于线性模拟功放，而后面一个功放属于数字开关功放。

        2 D类功放的基本原理

        简单地说，所谓的D类功放实际上还被称之为数字功率放大器，这种功放是由三个部分构成的，PWM调制对比，输出滤波与功率放大。好的D类功率放大器效率能够达到百分之百，在现实运用过程中可达到90%的效率，而AB类功放效率就相对比较低了。

        （1）调制器，仅仅需采用一只运放组成比较器就能够做好。

        （2）D类功率放大器，是一个脉冲控制大电流开关放大器，将比较器输出的PWM信号转换为大电流与高电压大功率PWM信号。

        （3）需将大功率PWM波形里面的声音信息恢复，就需要采用低通滤波器。可是，因为这个时候电流较大，RC结构低通滤波器电阻会消耗能源，无法使用，需要运用LC低通滤波器。

        3 设计水声换能器匹配电路分析

        3.1 匹配方法

        通常而言，水声换能器谐振频率范畴以内，换能器等效模型可通过等效电路来展示：并联电路的构成是一个静态电容C2与串联支路。其中串联支路就是通过一个动态电感L1、动态电阻RL、动态电容C1所组和而成的。倘若处在谐振频率的时候，动态电感与电容作用相互抵消，能够等效成一个动态电阻与静态电容并联构成。换能器阻抗是伴随着频率的变化而改变的，因为静态电容很大，因此换能器在工作频带里面成容性。换能器匹配方法包含了静态与动态匹配法。静态匹配方法就是借助检测出来的换能器等效电路参数，接着按照该参数，采用串联和并联的方法，设计出恰当的匹配电路，让其和换能器在某个固定的频率产生谐振。而动态匹配就是说倘若换能器阻抗参数变化大，那么运用固定匹配电路难以确保换能器一直处在最好的谐振状态，此时必须要借助动态匹配方法实现谐振。

        3.2 匹配水声换能器

        依照换能器等效模型，可得出阻抗Z=R+jX=，按照匹配的基本原理，当换能器谐振的时候，电抗X就等于0，也就是w等于wx等于，那么串联支路里面单单剩下了RL电阻。

        在未接匹配的时候，在工作频带里面，相位接近90度，因此假设未接匹配电路，就会产生很大的无功功率，功率传输效率不高。因为换能器在工作频带里面呈容性，同时纯电感元件不会导致能量消耗问题产生，且接一个电感调整负载阻抗，进而让功放的输出效率提升。匹配电路可以让换能器在谐振频率附近的时候，相位近似于0。因此，可以计算出L2等于1.33mH，匹配以后的相位，见图1。匹配以后相位由20KHZ至26KHZ内均能够降低到45度内。按照匹配以后电路计算得出等效系统函数，可计算出频段范畴是20KHZ，而品质因数根据公式：，在这之中f1，f2是频段的两个边界，而f0是谐振频率，因此可计算出Q等于3.56。在未增加匹配电感的时候，因为电压、电流有效值很大，可因为相位差大，因此换能器功率低，同时传输效率不高。添加匹配电感以后，因为流过换能器的电压以及电流相位差得到了有效的改进，换能器功率增加了，缩减了无功功率，提高了传输效率。

        3.3 阻杭匹配

        倘若负载电阻与功放输出电阻差值较大，必然会造成阻抗失配，从而对功放输出功率带来很大的影响。通常是经过变压器阻抗变换，实现功放输出阻抗与换能器阻抗接近。对D类功放而言，输出信号为PWM信号，包含了很多的谐波成分，优质的匹配网络可以消除剩下的频率成分，将功放负担减轻。

        （1）功放输出阻抗检测。假设用信号源输出信号当成功放输入信号，而输出回路并不并接负载RL，检测输出电压值是V0∞;假设输出回路并接负载RL，那么输出检测值就是V0L，那么可以运用以下公式计算出功放输出电阻。，需要注意的一点就是检测的过程中，需确保输出波形不会失真，同时RL需要尽可能接近功放输出电阻，降低误差。

        （2）换能器等效并联电阻。简单来说，换能器谐振频率是22.8KHZ，换能器L1，C1生成的动态电容与电感作用相抵消。假设并联电感L2可以在谐振频率点将静态电容作用抵消，就能得出等效并联电阻。

        （3）倘若功放输出电路中的电压Vg内阻是Rg阻性信号源，经过一只变压器和负载转变阻抗。在等效电路中Vs=N*Vg，Rs=N2*Rg，假设RS和换能器匹配以后等效电阻RL一致时，换能器得到的功率就是最大的，其匝数比就是1：8。

        3.4 改善的匹配电路

        根据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的相位是负的，因此，可增加一个电感与电容，在接近20KHZ呈容性，在接近30KHZ呈感性消除匹配剩下的电抗。通过电感L2消除换能器容性，假设L2电感值是1.2mH，借助公式可以将电抗值求出来。接着经过串联电感与电容消除最大值与最小值，求出串联电感L3为10.09mH，而串联电容C3为4.36nF，求出匹配以后的电抗值与相位值。因此，此次改善以后的电路相位得到了一定的提升。

        4 结束语

        此次设计了D类功放与换能器匹配电路，为避免高频辐射与信号还原，输出信号经过滤波器消除高频成分。此次匹配内容就是谐振调节，换能器借助匹配等效成一个阻元件，也就是将电压与电流相位差缩减，获取到高效率。匹配阻抗，通过变压器变换等效阻抗，得到高功率输出。