焦海波 費(fèi)騰

（第七一五研究所，杭州，310023）

為了能夠真實(shí)地獲得單個(gè)換能器、換能器基陣以及其它水聲設(shè)備實(shí)際工作狀態(tài)下的聲學(xué)性能參數(shù)，需要建立相應(yīng)的測試系統(tǒng)，功率放大器是一種大信號(hào)放大器，和小信號(hào)放大器相比，大信號(hào)放大器在信號(hào)處理過程中可應(yīng)用在范圍較廣的負(fù)載，是換能器向水中發(fā)射聲波的重要組成設(shè)備。按功放中功率管的導(dǎo)通方式不同，功率放大器可分為四類（A類、B類、AB類和D類），其中A類功率放大器效率非常低，通常只有20%～30%；B類功率放大器效率較高，但在低電平時(shí)，會(huì)產(chǎn)生跨越失真；AB類功率放大器效率介于A類B類功率放大器之間，但會(huì)產(chǎn)生交越失真；D類功率放大器效率極高，理論值可以達(dá)到 100%，但輸出信號(hào)失真較大，帶載能力較低。通過對(duì)4類功率放大器特性的對(duì)比，就效率比以及失真而言，本文選用了AB類功率放大器，通過多次調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出一款A(yù)B類通用線性功率放大器，并經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用，取得較滿意的效果。

1 電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

線性功率放大器電路采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，各模塊電路相互獨(dú)立，電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單巧妙、可靠穩(wěn)定。線性功率放大器電路主要由前級(jí)放大電路、功率放大電路、邏輯保護(hù)電路、阻抗變換電路和電源電路五部分組成（如圖1）。

圖1 線性功率放大器電路原理示意圖

1.1 前級(jí)放大電路

前級(jí)放大電路主要是利用運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，輸入信號(hào)的電壓電流兩級(jí)放大后驅(qū)動(dòng)功率放大電路。為了防止信號(hào)電壓過大造成對(duì)運(yùn)算放大器及后續(xù)電路的損壞，在其前端加入穩(wěn)壓二極管將信號(hào)鉗制在允許的電壓范圍。AB類放大器的輸出效率較高，應(yīng)用三極管的特性組成AB類推挽式放大器[1]網(wǎng)絡(luò)（如圖2）對(duì)輸入信號(hào)的電壓電流進(jìn)行放大后來驅(qū)動(dòng)功率放大器電路。

圖2 前級(jí)放大電路原理示意圖

圖2中前級(jí)運(yùn)算放大電路以閉環(huán)的電路結(jié)構(gòu)連接成的正相放大器，輸出電壓增益的大小由公式（1）可計(jì)算出。

式中，Acl表示輸出電壓增益，R7表示反饋電阻，R6表示輸入電阻。

功率放大器設(shè)計(jì)頻率寬度為100 Hz ～ 60 kHz，為防止輸入信號(hào)超出頻帶寬度而造成的功放磁性器件損壞，我們?cè)贠P電路的前級(jí)也加入RC帶通濾波器，電路中fc的值由公式（2）可得出。

式中，R=R29，C=C18=C19。

電壓放大采用復(fù)合管放大方式，高倍率的電壓放大為功率放大器電路提供足夠的驅(qū)動(dòng)電壓。電流放大采用兩級(jí)放大，先是一對(duì)中功率三極管V4與V9，然后是一對(duì)大功率三極管V5與V10放大。

1.2 功率放大電路

線性功率放大器作為一個(gè)水聲專用的儀器，其工作頻率范圍100 Hz ～ 60 kHz，輸出連續(xù)功率1 000 W。功率放大器電路電流放大級(jí)是達(dá)林頓連接，采用并聯(lián)推挽發(fā)射極跟隨器[2]的設(shè)計(jì)如圖3、圖4，通過參數(shù)配對(duì)，選用性能一致的NPN和PNP型晶體管在同一塊電路板上。正電壓時(shí)與 NPN型晶體管互補(bǔ)進(jìn)行工作，負(fù)電壓時(shí)與PNP型晶體管互補(bǔ)進(jìn)行工作，NPN與PNP晶體管在各自的相反周期內(nèi)導(dǎo)通工作，以達(dá)到小電流控制大電流的效果。

采用并聯(lián)推挽電路連接時(shí)，可使每個(gè)功率晶體管的輸出電流降低，同時(shí)每個(gè)晶體管的發(fā)熱量也隨之大幅度減少，使電路變得更穩(wěn)定，通過在每個(gè)功率晶體管連接一定阻值的基極電阻、發(fā)射極電阻，可防止功率晶體管因電流不平衡及電流集中等因素而發(fā)生損壞。在NPN、PNP放大電路中都有輸出短路保護(hù)電路，當(dāng)電流輸出時(shí)，加在功率晶體管發(fā)射極的過流檢測電阻產(chǎn)生壓降，使得圖3、圖4中晶體管V201、V301的基極電位上升，達(dá)到0.6 V時(shí)，晶體管V201與V301導(dǎo)通，由此防止功率管V202與V302輸出過大電流而損壞。

圖3 NPN放大電路

圖4 PNP放大電路

1.3 保護(hù)邏輯電路

線性功率放大器是一種大電流、高電壓，輸出功率大的放大器，所以保護(hù)邏輯電路[3]設(shè)計(jì)了多種保護(hù)電路來獲得功率放大器的工作狀態(tài)。偏置、過熱、過壓過流保護(hù)電路通過比較基準(zhǔn)電壓，當(dāng)其中一點(diǎn)電壓偏離基準(zhǔn)電壓時(shí)，就會(huì)給保護(hù)邏輯電路（如圖5）一個(gè)高低電平，相應(yīng)保護(hù)邏輯電路就會(huì)斷開功率放大器的功率輸出和功放的主電源（圖1中的繼電器 K2B、K3B），并發(fā)出聲光報(bào)警直到故障消失。

圖5 保護(hù)邏輯電路

1.3.1 偏置保護(hù)電路

直流偏置是在功率放大電路中有器件損壞，導(dǎo)致輸出電壓中產(chǎn)生直流偏置電壓。功率放大器直流偏置電壓會(huì)對(duì)輸出變壓器和負(fù)載造成損害。如果功放輸出直流偏置電壓大于0.7 V，直流偏置電路（如圖6）開始工作并輸出相應(yīng)的電平信號(hào)。

圖6 直流偏置取樣電路

1.3.2 過熱保護(hù)電路

功率器件工作時(shí)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生熱量，設(shè)計(jì)時(shí)需安裝散熱器以及冷卻風(fēng)扇，盡可能的將功率晶體管的溫度降到環(huán)境工作溫度。在功率器件的散熱器上安裝負(fù)溫度系數(shù)傳感器，當(dāng)散熱器的溫度大于設(shè)定溫度時(shí)，控制電路就會(huì)斷開功率輸出以及短接壓降電阻使風(fēng)扇高速轉(zhuǎn)動(dòng)，加速熱量排放直到溫度降到設(shè)定值以下，同時(shí)給出過熱報(bào)警指示。

1.3.3 過壓過流保護(hù)電路

使用運(yùn)算放大器來做比較器，用來比較不同信號(hào)電壓的幅度。電源電壓保護(hù)電路通過比較器設(shè)定固定的參考電壓如圖7中的10腳、13腳，主電源正負(fù)電壓通過R47、R48、R50、R51電阻分壓，如果分壓后的電壓超出參考電壓，比較器電路輸出電平信號(hào)給下級(jí)電路做判斷。

圖7 電源電壓取樣電路

電源電流取樣電路（如圖8），正負(fù)電源電流流過電阻R6、R7后產(chǎn)生壓降，經(jīng)過三極管V1、V2、V3、V4輸出一個(gè)實(shí)時(shí)的電壓信號(hào)Ui+、Ui-，如果電壓信號(hào)Ui+、Ui-的電壓超出參考電壓，比較器電路輸出電平信號(hào)給下級(jí)電路進(jìn)行判斷。

1.4 阻抗變換電路

阻抗變換電路是影響功率放大器帶寬及效率的主要因素。阻抗變換電路主要由定制的鐵芯和漆包線通過特殊方法繞制，在此不詳述。

1.5 電源電路

電源電路采用常用的線性電源，通過變壓器將市電降壓并經(jīng)橋式全波整流器后得到主電源和副電源，在此不詳述。

2 測試結(jié)果

2.1 主要參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)能力，確定線性功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)：最大連續(xù)輸出功率，不小于 1 kW（匹配電阻型負(fù)載）；最大脈沖輸出功率，不小于2 kW（1 s周期，10%占空比）；輸出阻抗，分 13 Ω、31 Ω、63 Ω、125 Ω、250 Ω、500 Ω、1 000 Ω、2 000 Ω共八檔；頻率范圍，100 Hz～50 kHz(-3 dB)；輸入阻抗，≥10 kΩ；滿功率輸入信號(hào)：1 Vrms；失真度≤1%(連續(xù)方式，匹配負(fù)載)；輸出具有 10 mV/V電壓和100 mV/A電流輸出監(jiān)視接口。

2.2 測試結(jié)果

2.2.1 連續(xù)功率

用信號(hào)源給功率放大器輸入連續(xù)信號(hào)1 Vrms，增益旋鈕調(diào)節(jié)至最大，輸出選擇連續(xù)阻抗125 Ω，并連接一個(gè)2 000 W/125 Ω的功率電阻，在100 Hz ～50 kHz頻率范圍內(nèi)依次測試出各個(gè)頻率點(diǎn)的輸出電壓、電流及功率值，如表1所示。

表1 連續(xù)功率各項(xiàng)輸出值

2.2.2 脈沖功率

用信號(hào)源給功率放大器輸入脈沖信號(hào)（1 s周期，10%占空比）1 Vrms，其它條件同2.2.1節(jié)，依次測試出各個(gè)頻率點(diǎn)的輸出電壓、電流及功率值，如表2。

2.2.3 連續(xù)功率失真度

用信號(hào)源給功率放大器輸入連續(xù)信號(hào) 100 m Vrms，其它條件同同 2.2.1節(jié)，依次測試出各個(gè)頻率點(diǎn)失真度值見表3。

表2 脈沖功率各項(xiàng)輸出值

表3 連續(xù)功率失真度值

表1～表3測試數(shù)據(jù)表明該通用線性功率放大器的功率及帶寬完全滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的通用線性功率放大器，是為水聲測量及科研開發(fā)的專用線性功率放大器，也可作為超聲換能器及其它非阻性材料的大功率激勵(lì)信號(hào)源使用。該型功率放大器可靠性高，是一種體積小、功率大、低失真、使用維修方便的大功率通用線性功率放大器，已用于水聲測試系統(tǒng)和工程應(yīng)用等多種場合，性能優(yōu)異。