小型水声功率放大设计及换能器匹配技术研究

崔 娟 张文栋 王红亮 张 慧 薛晨阳

(中北大学电子测试国家重点实验室1，山西 太原 030051；中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室2，山西 太原 030051)

小型水声功率放大设计及换能器匹配技术研究

崔 娟1,2张文栋1,2王红亮1,2张 慧1,2薛晨阳1,2

(中北大学电子测试国家重点实验室1，山西 太原 030051；中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室2，山西 太原 030051)

针对200 kHz的小型水下超声压电换能器线阵的超声发射功率要求，通过对常用水声功率放大电路的分析，设计了一种基于D类功放原理的互补推挽式功率放大电路；并根据换能器和功放的阻抗特性，选择串联调谐进行了阻抗匹配设计。仿真分析表明，设计的功率放大电路输出功率最大值为17.47 W，实际测试超声发射信号较强、稳定性好、干扰小。该功率放大电路满足设计要求，有较高的应用价值。

水下超声压电换能器 发射功率 D类功放 互补推挽式 串联调谐 阻抗匹配

Series tuning Impedance matching

0 引言

自20世纪60年代以来，海洋开发技术发展迅速，便携的水下超声成像设备因其非常广泛的应用和价值得到了越来越多的重视。水下超声成像系统能够正常工作的前提是超声信号发射电路能有效地激励水下换能器发射超声波，但海洋环境特殊复杂，存在一个带宽有限、强干扰和噪声的声信道[1]。

目前,国内对水下超声发射的研究主要集中在大型声纳系统的水声发射机设计。此类水声发射机普遍采用低声频、大功率、大基阵，能耗大且不便于携带。因此，本文针对小型的水声成像发射换能器的特性，设计并实现了一种高频、低供电电压的功率放大电路，并对设计的功放和换能器进行了阻抗匹配，以达到最高的输出功率。

1 水声功率放大电路设计

水下超声成像发射系统一般以FPGA作为控制中心，产生超声激励信号，经数模转换、前置放大及功率放大后，通过阻抗匹配电路激励超声换能器阵列发射超声波。功率放大电路是水下超声发射系统不可或缺的一部分。由于前端波形产生和放大电路所产生的信号功率都比较小，无法直接驱动换能器向水中辐射超声信号，因此必须设计功率放大电路以提高信号功率。

常见的水声发射机功率放大电路主要基于C类和D类功放的工作原理。而D类功放因其具有体积小、质量轻、输出功率大、散热低，且工作效率达90%以上等特点，因此本设计采用D类功放。常用的D类功放有MOS管D类推挽功率放大电路和D类全桥功率放大电路，后者又分单电源和双电源供电两种[2-3]。

本文以中心频率为200 kHz的压电式超声换能器线阵为发射换能器，这种换能器比一般的声纳换能器规模小，具体参数如表1所示。 换能器内阻RL=500 Ω，静态电容C0=0.9 nF。针对该小型水下超声换能器线阵特性，本文基于D类功率放大电路的基本原理，提出了一种适用于提高水下超声发射功率的D类互补推挽式功率放大电路其电路,如图1所示。

表1 换能器线阵参数表

图1 D类互补推挽式功放电路

该功放采用18 V供电电压，电路中上下桥臂分别为N沟道和P沟道型MOS管。MOS管应用于高频功率放大电路不仅可以放大功率，也使电路设计简化。同时，采用对管驱动可以提高带容性负载的能力，具有较大的峰值电流[4]。由于实际中没有特性完全配对的MOS管，因此考虑MOS管的漏极电压UDS、漏极电流ID以及漏极导通电阻RDS等参数，选用了IRF540和IRF9540分别作为N沟道和P沟道型MOS管。

该功率放大电路前端选用ISL55110作为其驱动芯片。ISL55110驱动电流可达3.5 A，上升和下降时间仅为1.5 ns，能够实现MOS管的高速导通。在电压输入端连接电容和电阻，可以达到去耦和限流的作用，使芯片稳定工作[5]。

变压器选择具有中间抽头的脉冲升压变压器，磁芯材料为锰锌铁氧体，输出电压幅值计算公式为：

UOUT=N(UCC-USAT)

(1)

式中：N为初级和次级线圈匝数比；USAT为MOS管导通电压。

变压器除了升压的作用，还有阻抗匹配的作用。设变压器初级线圈所接阻抗为R初，次级线圈所接负载阻抗为R次，则有如下关系[6]：

R初∶R次=1∶N2

(2)

2 阻抗匹配设计

功率放大电路输出阻抗为低阻抗，换能器输入为高阻抗。为了解决压电超声换能器阵列与功率放大电路的阻抗失配问题，必须设计匹配电路。当负载阻抗与功放等效阻抗互为共轭复数时，负载输出功率最大，称为负载阻抗和功放电路达到最大功率匹配[7]。

为得到最大的发射功率，激励信号频率一般与换能器中心频率相等。处于谐振状态的压电换能器相当于一个容性阻抗，与匹配电路一起构成功率放大电路的负载，阻抗可表示为:

Zc=Rc+jXc

(3)

因为功率放大电路的输出阻抗为纯电阻，可表示为Z0=R0。根据最大传输定理，换能器理想功率匹配的条件为：Rc=R0，Xc=0 。

调谐匹配设计分为串联调谐和并联调谐两种。输出功率一定时，串联调谐的等效电阻小，可以减轻变压器体积和重量，且串联匹配有滤波作用[8]，因此本文采用串联调谐匹配，设计的匹配电路和换能器的等效电路如图2所示。

图2 阻抗匹配电路

图2中，C0为静态电容，RL为等效电阻。匹配后，换能器与匹配电路的总输入阻抗为：

(4)

设换能器原阻抗为Zi，则：

(5)

匹配电路的导通频率为：

(6)

根据上述理论，要达到最大功率匹配，需要满足以下条件：

(7)

(8)

取变压器匝数比为1∶5，即N=5，功放电路输出阻抗R0=R初×N2=50Ω。换能器中心频率为200kHz，要求匹配电路的导通频率与其一致。根据以上公式,计算得到匹配电路的各项参数：C=3.9nF，C′=22pF，L=29mH。

3 试验与结果

综合以上设计和计算，首先用Multisim软件对功率放大电路和阻抗匹配电路进行仿真。仿真过程中以信号发生器产生频率200kHz、幅值为2V的方波信号模拟FPGA发出的原始超声激励信号，用两级前置放大AD823代替驱动芯片ISL55110。功率放大仿真电路如图3所示。

图3 功率放大仿真电路

电路仿真波形如图4所示。

图4 电路仿真波形

仿真电路中b点的电流有效值为：

(9)

则经功放后电路的最大输出功率为：

(10)

为了验证设计电路的功放效果，仿真并计算得到未加功放时的输出信号和加功放及匹配电路后的输出信号对比如表2所示。

表2 功放前后仿真测试结果

对比以上结果可以看出，加功放及阻抗匹配电路后的输出功率大于无功放时输出功率。这就说明此功率放大电路的设计达到了功率放大的效果，有效提高了换能器输出功率。

将设计的功放和匹配电路与压电换能器连接进行实际测试。超声发射端采用32线阵换能器全发激励信号，接收端为单阵元换能器。将发射端和接收端换能器均浸入水池中，间隔距离0.2 m。用示波器测试接收的波形如图5所示。

图5 试验测试发射和接收波形

图5中，激励信号1和激励信号2为FPGA产生的四脉冲电压激励信号，经两级放大后输出的幅值为30.8 V，与仿真结果基本一致。接收波1和接收波2是接收换能器输出波形。接收波和激励信号之间的时间间隔为561 μs。根据测试结果计算收发换能器距离为：

d=340 m/s×561 μs≈0.191 m

(11)

该结果与试验实际测试距离误差较小，说明测试结果正确。

4 结束语

本文结合小型水下超声换能器设计了一种功率放大电路。通过仿真分析及实际测试，证明本文设计的功率放大电路设计合理，输出信号稳定，可有效提高超声换能器输出功率。同时，该电路具有电源电压低、高频特性好、失真小、易于阵列化设计等优点，因此在便携式水下换能器超声发射系统应用方面具有一定的应用价值。

[1] 姜国兴，余锡荣.水声通信技术在航海中的应用[J].世界海运，2007，30(3)：46-48.

[2] Kazimierczuk.M.Class D voltage-switching MOSFET power amplifier[J].IEE Proceedings B,Electric Power Applications,1991：138(6)：285-296.

[3] 陈明杰．大功率低阻抗水声发射机的设计实现[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

[4] 冯红亮,肖定国,徐春广，等.脉冲超声传感器激发/接收电路设计[J].仪表技术与传感器，2003(11):30-32.

[5] 王海涛，葛金鑫，杨先明.超声相控阵检测硬件电路设计[J].无损检测，2014，36(5)：19-22.

[6] 付继伟，熊莉利.压电换能器宽带阻抗匹配问题的讨论[J].声学技术，2012，31(4)：115-118.

[7] 段言威.水下多阵列超声波发射机的设计[D].南京：南京理工大学，2007.

[8] 黄熠，黄建国，景连友.一种小型高效水声发射机的设计与实现[J].计算机测量与控制，2011，19(6)：1438-1441.

Design of the Small Underwater Acoustic Power Amplifier and Research on the Transducer Matching Technology

In accordance with the requirement of ultrasonic transmitting power upon 200 kHz small underwater acoustic piezoelectric transducer line array, the complementary push-pull power amplification circuit based on class-D power amplification principle has been designed. In addition, based on the impedance characteristics of transducer and power amplifier, impedance matching design is conducted by selecting series tuning. The simulation analysis shows that the maximum output power of the power amplifier designed is 17.47 W, and the actual tested ultrasonic transmitter signals are stronger, stable, with small interference, that means the power amplifier meets design requirement, and possesses higher applicable values.

Underwater ultrasonic piezoelectric transducer Transmitting power Class D power amplifier Complementary push-pull

国家自然科学基金资助项目(编号：61127008)；

国家863计划基金资助项目(编号：2011AA040404)。

崔娟(1992-)，女，现为中北大学测试计量技术及仪器专业在读硕士研究生；主要从事特种传感器及仪器的研究。

TN552

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201505025

修改稿收到日期：2014-11-07。