小型水聲功率放大設計及換能器匹配技術研究

崔 娟 張文棟 王紅亮 張 慧 薛晨陽

(中北大學電子測試國家重點實驗室1，山西 太原 030051；中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室2，山西 太原 030051)

小型水聲功率放大設計及換能器匹配技術研究

崔 娟1,2張文棟1,2王紅亮1,2張 慧1,2薛晨陽1,2

(中北大學電子測試國家重點實驗室1，山西 太原 030051；中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室2，山西 太原 030051)

針對200 kHz的小型水下超聲壓電換能器線陣的超聲發射功率要求，通過對常用水聲功率放大電路的分析，設計了一種基于D類功放原理的互補推挽式功率放大電路；并根據換能器和功放的阻抗特性，選擇串聯調諧進行了阻抗匹配設計。仿真分析表明，設計的功率放大電路輸出功率最大值為17.47 W，實際測試超聲發射信號較強、穩定性好、干擾小。該功率放大電路滿足設計要求，有較高的應用價值。

水下超聲壓電換能器 發射功率 D類功放 互補推挽式 串聯調諧 阻抗匹配

Series tuning Impedance matching

0 引言

自20世紀60年代以來，海洋開發技術發展迅速，便攜的水下超聲成像設備因其非常廣泛的應用和價值得到了越來越多的重視。水下超聲成像系統能夠正常工作的前提是超聲信號發射電路能有效地激勵水下換能器發射超聲波，但海洋環境特殊復雜，存在一個帶寬有限、強干擾和噪聲的聲信道[1]。

目前,國內對水下超聲發射的研究主要集中在大型聲納系統的水聲發射機設計。此類水聲發射機普遍采用低聲頻、大功率、大基陣，能耗大且不便于攜帶。因此，本文針對小型的水聲成像發射換能器的特性，設計并實現了一種高頻、低供電電壓的功率放大電路，并對設計的功放和換能器進行了阻抗匹配，以達到最高的輸出功率。

1 水聲功率放大電路設計

水下超聲成像發射系統一般以FPGA作為控制中心，產生超聲激勵信號，經數模轉換、前置放大及功率放大后，通過阻抗匹配電路激勵超聲換能器陣列發射超聲波。功率放大電路是水下超聲發射系統不可或缺的一部分。由于前端波形產生和放大電路所產生的信號功率都比較小，無法直接驅動換能器向水中輻射超聲信號，因此必須設計功率放大電路以提高信號功率。

常見的水聲發射機功率放大電路主要基于C類和D類功放的工作原理。而D類功放因其具有體積小、質量輕、輸出功率大、散熱低，且工作效率達90%以上等特點，因此本設計采用D類功放。常用的D類功放有MOS管D類推挽功率放大電路和D類全橋功率放大電路，后者又分單電源和雙電源供電兩種[2-3]。

本文以中心頻率為200 kHz的壓電式超聲換能器線陣為發射換能器，這種換能器比一般的聲納換能器規模小，具體參數如表1所示。 換能器內阻RL=500 Ω，靜態電容C0=0.9 nF。針對該小型水下超聲換能器線陣特性，本文基于D類功率放大電路的基本原理，提出了一種適用于提高水下超聲發射功率的D類互補推挽式功率放大電路其電路,如圖1所示。

表1 換能器線陣參數表

圖1 D類互補推挽式功放電路

該功放采用18 V供電電壓，電路中上下橋臂分別為N溝道和P溝道型MOS管。MOS管應用于高頻功率放大電路不僅可以放大功率，也使電路設計簡化。同時，采用對管驅動可以提高帶容性負載的能力，具有較大的峰值電流[4]。由于實際中沒有特性完全配對的MOS管，因此考慮MOS管的漏極電壓UDS、漏極電流ID以及漏極導通電阻RDS等參數，選用了IRF540和IRF9540分別作為N溝道和P溝道型MOS管。

該功率放大電路前端選用ISL55110作為其驅動芯片。ISL55110驅動電流可達3.5 A，上升和下降時間僅為1.5 ns，能夠實現MOS管的高速導通。在電壓輸入端連接電容和電阻，可以達到去耦和限流的作用，使芯片穩定工作[5]。

變壓器選擇具有中間抽頭的脈沖升壓變壓器，磁芯材料為錳鋅鐵氧體，輸出電壓幅值計算公式為：

UOUT=N(UCC-USAT)

(1)

式中：N為初級和次級線圈匝數比；USAT為MOS管導通電壓。

變壓器除了升壓的作用，還有阻抗匹配的作用。設變壓器初級線圈所接阻抗為R初，次級線圈所接負載阻抗為R次，則有如下關系[6]：

R初∶R次=1∶N2

(2)

2 阻抗匹配設計

功率放大電路輸出阻抗為低阻抗，換能器輸入為高阻抗。為了解決壓電超聲換能器陣列與功率放大電路的阻抗失配問題，必須設計匹配電路。當負載阻抗與功放等效阻抗互為共軛復數時，負載輸出功率最大，稱為負載阻抗和功放電路達到最大功率匹配[7]。

為得到最大的發射功率，激勵信號頻率一般與換能器中心頻率相等。處于諧振狀態的壓電換能器相當于一個容性阻抗，與匹配電路一起構成功率放大電路的負載，阻抗可表示為:

Zc=Rc+jXc

(3)

因為功率放大電路的輸出阻抗為純電阻，可表示為Z0=R0。根據最大傳輸定理，換能器理想功率匹配的條件為：Rc=R0，Xc=0 。

調諧匹配設計分為串聯調諧和并聯調諧兩種。輸出功率一定時，串聯調諧的等效電阻小，可以減輕變壓器體積和重量，且串聯匹配有濾波作用[8]，因此本文采用串聯調諧匹配，設計的匹配電路和換能器的等效電路如圖2所示。

圖2 阻抗匹配電路

圖2中，C0為靜態電容，RL為等效電阻。匹配后，換能器與匹配電路的總輸入阻抗為：

(4)

設換能器原阻抗為Zi，則：

(5)

匹配電路的導通頻率為：

(6)

根據上述理論，要達到最大功率匹配，需要滿足以下條件：

(7)

(8)

取變壓器匝數比為1∶5，即N=5，功放電路輸出阻抗R0=R初×N2=50Ω。換能器中心頻率為200kHz，要求匹配電路的導通頻率與其一致。根據以上公式,計算得到匹配電路的各項參數：C=3.9nF，C′=22pF，L=29mH。

3 試驗與結果

綜合以上設計和計算，首先用Multisim軟件對功率放大電路和阻抗匹配電路進行仿真。仿真過程中以信號發生器產生頻率200kHz、幅值為2V的方波信號模擬FPGA發出的原始超聲激勵信號，用兩級前置放大AD823代替驅動芯片ISL55110。功率放大仿真電路如圖3所示。

圖3 功率放大仿真電路

電路仿真波形如圖4所示。

圖4 電路仿真波形

仿真電路中b點的電流有效值為：

(9)

則經功放后電路的最大輸出功率為：

(10)

為了驗證設計電路的功放效果，仿真并計算得到未加功放時的輸出信號和加功放及匹配電路后的輸出信號對比如表2所示。

表2 功放前后仿真測試結果

對比以上結果可以看出，加功放及阻抗匹配電路后的輸出功率大于無功放時輸出功率。這就說明此功率放大電路的設計達到了功率放大的效果，有效提高了換能器輸出功率。

將設計的功放和匹配電路與壓電換能器連接進行實際測試。超聲發射端采用32線陣換能器全發激勵信號，接收端為單陣元換能器。將發射端和接收端換能器均浸入水池中，間隔距離0.2 m。用示波器測試接收的波形如圖5所示。

圖5 試驗測試發射和接收波形

圖5中，激勵信號1和激勵信號2為FPGA產生的四脈沖電壓激勵信號，經兩級放大后輸出的幅值為30.8 V，與仿真結果基本一致。接收波1和接收波2是接收換能器輸出波形。接收波和激勵信號之間的時間間隔為561 μs。根據測試結果計算收發換能器距離為：

d=340 m/s×561 μs≈0.191 m

(11)

該結果與試驗實際測試距離誤差較小，說明測試結果正確。

4 結束語

本文結合小型水下超聲換能器設計了一種功率放大電路。通過仿真分析及實際測試，證明本文設計的功率放大電路設計合理，輸出信號穩定，可有效提高超聲換能器輸出功率。同時，該電路具有電源電壓低、高頻特性好、失真小、易于陣列化設計等優點，因此在便攜式水下換能器超聲發射系統應用方面具有一定的應用價值。

[1] 姜國興，余錫榮.水聲通信技術在航海中的應用[J].世界海運，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] 陳明杰．大功率低阻抗水聲發射機的設計實現[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012.

[4] 馮紅亮,肖定國,徐春廣，等.脈沖超聲傳感器激發/接收電路設計[J].儀表技術與傳感器，2003(11):30-32.

[5] 王海濤，葛金鑫，楊先明.超聲相控陣檢測硬件電路設計[J].無損檢測，2014，36(5)：19-22.

[6] 付繼偉，熊莉利.壓電換能器寬帶阻抗匹配問題的討論[J].聲學技術，2012，31(4)：115-118.

[7] 段言威.水下多陣列超聲波發射機的設計[D].南京：南京理工大學，2007.

[8] 黃熠，黃建國，景連友.一種小型高效水聲發射機的設計與實現[J].計算機測量與控制，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

國家自然科學基金資助項目(編號：61127008)；

國家863計劃基金資助項目(編號：2011AA040404)。

崔娟(1992-)，女，現為中北大學測試計量技術及儀器專業在讀碩士研究生；主要從事特種傳感器及儀器的研究。

TN552

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201505025

修改稿收到日期：2014-11-07。