一种通用线性功率放大器

2018-10-17焦海波费腾

声学与电子工程 2018年3期

焦海波费腾

（第七一五研究所，杭州，310023）

为了能够真实地获得单个换能器、换能器基阵以及其它水声设备实际工作状态下的声学性能参数，需要建立相应的测试系统，功率放大器是一种大信号放大器，和小信号放大器相比，大信号放大器在信号处理过程中可应用在范围较广的负载，是换能器向水中发射声波的重要组成设备。按功放中功率管的导通方式不同，功率放大器可分为四类（A类、B类、AB类和D类），其中A类功率放大器效率非常低，通常只有20%～30%；B类功率放大器效率较高，但在低电平时，会产生跨越失真；AB类功率放大器效率介于A类B类功率放大器之间，但会产生交越失真；D类功率放大器效率极高，理论值可以达到 100%，但输出信号失真较大，带载能力较低。通过对4类功率放大器特性的对比，就效率比以及失真而言，本文选用了AB类功率放大器，通过多次调试和实验，设计出一款AB类通用线性功率放大器，并经过实际应用，取得较满意的效果。

1 电路设计结构

线性功率放大器电路采用模块化的设计思路，各模块电路相互独立，电路结构设计简单巧妙、可靠稳定。线性功率放大器电路主要由前级放大电路、功率放大电路、逻辑保护电路、阻抗变换电路和电源电路五部分组成（如图1）。

图1 线性功率放大器电路原理示意图

1.1 前级放大电路

前级放大电路主要是利用运算放大器对信号进行放大，输入信号的电压电流两级放大后驱动功率放大电路。为了防止信号电压过大造成对运算放大器及后续电路的损坏，在其前端加入稳压二极管将信号钳制在允许的电压范围。AB类放大器的输出效率较高，应用三极管的特性组成AB类推挽式放大器[1]网络（如图2）对输入信号的电压电流进行放大后来驱动功率放大器电路。

图2 前级放大电路原理示意图

图2中前级运算放大电路以闭环的电路结构连接成的正相放大器，输出电压增益的大小由公式（1）可计算出。

式中，Acl表示输出电压增益，R7表示反馈电阻，R6表示输入电阻。

功率放大器设计频率宽度为100 Hz ～ 60 kHz，为防止输入信号超出频带宽度而造成的功放磁性器件损坏，我们在OP电路的前级也加入RC带通滤波器，电路中fc的值由公式（2）可得出。

式中，R=R29，C=C18=C19。

电压放大采用复合管放大方式，高倍率的电压放大为功率放大器电路提供足够的驱动电压。电流放大采用两级放大，先是一对中功率三极管V4与V9，然后是一对大功率三极管V5与V10放大。

1.2 功率放大电路

线性功率放大器作为一个水声专用的仪器，其工作频率范围100 Hz ～ 60 kHz，输出连续功率1 000 W。功率放大器电路电流放大级是达林顿连接，采用并联推挽发射极跟随器[2]的设计如图3、图4，通过参数配对，选用性能一致的NPN和PNP型晶体管在同一块电路板上。正电压时与 NPN型晶体管互补进行工作，负电压时与PNP型晶体管互补进行工作，NPN与PNP晶体管在各自的相反周期内导通工作，以达到小电流控制大电流的效果。

采用并联推挽电路连接时，可使每个功率晶体管的输出电流降低，同时每个晶体管的发热量也随之大幅度减少，使电路变得更稳定，通过在每个功率晶体管连接一定阻值的基极电阻、发射极电阻，可防止功率晶体管因电流不平衡及电流集中等因素而发生损坏。在NPN、PNP放大电路中都有输出短路保护电路，当电流输出时，加在功率晶体管发射极的过流检测电阻产生压降，使得图3、图4中晶体管V201、V301的基极电位上升，达到0.6 V时，晶体管V201与V301导通，由此防止功率管V202与V302输出过大电流而损坏。

图3 NPN放大电路

图4 PNP放大电路

1.3 保护逻辑电路

线性功率放大器是一种大电流、高电压，输出功率大的放大器，所以保护逻辑电路[3]设计了多种保护电路来获得功率放大器的工作状态。偏置、过热、过压过流保护电路通过比较基准电压，当其中一点电压偏离基准电压时，就会给保护逻辑电路（如图5）一个高低电平，相应保护逻辑电路就会断开功率放大器的功率输出和功放的主电源（图1中的继电器 K2B、K3B），并发出声光报警直到故障消失。

图5 保护逻辑电路

1.3.1 偏置保护电路

直流偏置是在功率放大电路中有器件损坏，导致输出电压中产生直流偏置电压。功率放大器直流偏置电压会对输出变压器和负载造成损害。如果功放输出直流偏置电压大于0.7 V，直流偏置电路（如图6）开始工作并输出相应的电平信号。

图6 直流偏置取样电路

1.3.2 过热保护电路

功率器件工作时内部会产生热量，设计时需安装散热器以及冷却风扇，尽可能的将功率晶体管的温度降到环境工作温度。在功率器件的散热器上安装负温度系数传感器，当散热器的温度大于设定温度时，控制电路就会断开功率输出以及短接压降电阻使风扇高速转动，加速热量排放直到温度降到设定值以下，同时给出过热报警指示。

1.3.3 过压过流保护电路

使用运算放大器来做比较器，用来比较不同信号电压的幅度。电源电压保护电路通过比较器设定固定的参考电压如图7中的10脚、13脚，主电源正负电压通过R47、R48、R50、R51电阻分压，如果分压后的电压超出参考电压，比较器电路输出电平信号给下级电路做判断。

图7 电源电压取样电路

电源电流取样电路（如图8），正负电源电流流过电阻R6、R7后产生压降，经过三极管V1、V2、V3、V4输出一个实时的电压信号Ui+、Ui-，如果电压信号Ui+、Ui-的电压超出参考电压，比较器电路输出电平信号给下级电路进行判断。

1.4 阻抗变换电路

阻抗变换电路是影响功率放大器带宽及效率的主要因素。阻抗变换电路主要由定制的铁芯和漆包线通过特殊方法绕制，在此不详述。

1.5 电源电路

电源电路采用常用的线性电源，通过变压器将市电降压并经桥式全波整流器后得到主电源和副电源，在此不详述。

2 测试结果

2.1 主要参数

根据现有的设计能力，确定线性功率放大器的主要技术指标：最大连续输出功率，不小于 1 kW（匹配电阻型负载）；最大脉冲输出功率，不小于2 kW（1 s周期，10%占空比）；输出阻抗，分 13 Ω、31 Ω、63 Ω、125 Ω、250 Ω、500 Ω、1 000 Ω、2 000 Ω共八档；频率范围，100 Hz～50 kHz(-3 dB)；输入阻抗，≥10 kΩ；满功率输入信号：1 Vrms；失真度≤1%(连续方式，匹配负载)；输出具有 10 mV/V电压和100 mV/A电流输出监视接口。