超聲波末級功率放大器的一般原理與設(shè)計(jì)

1．概述
傳統(tǒng)的A類、B類、C類放大器是把有源器件(例如晶體管為討論對象)作為電流源工作。在這些放大器中，晶體管工作在伏安特性曲線的有源區(qū)。集電極電流受基極激勵(lì)信號控制作相應(yīng)變化，而集電極電壓是正弦波或正弦波的一部分。因此集電極在信號一周內(nèi)同時(shí)存在頗大的電流和電壓。要消耗相當(dāng)一部分功率，這就是傳統(tǒng)放大器的能量轉(zhuǎn)換效率受限制的主要原因。開關(guān)模式放大器在提高放大器效率方面做了質(zhì)的改革，它把有源器件作為接通／斷開的開關(guān)運(yùn)用。晶體管工作在伏安特性曲線的飽和區(qū)或截止區(qū)。當(dāng)晶體管被激勵(lì)而接通時(shí)進(jìn)入飽和區(qū)，斷開時(shí)進(jìn)入截止區(qū)。由于晶體管飽和壓降很低，集電極功耗降到最低限度，提高了放大器的能量轉(zhuǎn)換效率。一般在理想的晶體管條件下(飽和壓降為零，飽和電阻為零．?dāng)嚅_電阻為無窮大，開關(guān)時(shí)間為零)，屬于開關(guān)模式工作的D類放大器，理論效率為100％，實(shí)際效率可達(dá)90％以上。而通常的A類放大器效率只有 50％，B類效率為78．5％。從中看出開關(guān)模式功率放大器在功率超聲的應(yīng)用中具有相當(dāng)大的實(shí)際意義。
實(shí)際使用中大多數(shù)的超聲波發(fā)生器都是b,c類放大器，c類居多，部分特殊用途的設(shè)計(jì)為b類。
2．D類功率放大器
推挽式D類功率放大器如圖1．35所示，輸入激勵(lì)信號使一管導(dǎo)通時(shí)另一管截止，導(dǎo)通截止時(shí) 間各占交流半周期。這種放大器有兩種組態(tài)，一種是電壓開關(guān)放大器圖1，35(a)；另一種是電流開關(guān)放大器(圖1．35(b))。在電壓開關(guān)組態(tài)中，晶體管作為電壓開關(guān)工作，集電極電壓為方波，串聯(lián)調(diào)諧電路只讓基波電流通過。因此輸出電壓為集電極電壓的基波分量，集電極電流為半個(gè)正弦波。在電流開關(guān)組態(tài)中，晶體管起電流開關(guān)作用。扼流圈L、，維持恒定的直流饋電電流，集電極電流為方波，而集電極電壓為半個(gè)正弦波。

圖1．35 D類功率放大器
(a)為電壓開關(guān)放大器，(b)為電流開關(guān)放大器．

這里著重介紹電壓開關(guān)型放大器。在功率超聲中電壓型開關(guān)放大器用得較多，其原因：
一是從飽和損耗來看．電壓開關(guān)放大器通常比電流開關(guān)放大器小，因?yàn)殡妷洪_關(guān)放大器中晶體管電流僅在180。飽和期間是大的，而在電流開關(guān)放大器中，整個(gè)導(dǎo)通角內(nèi)保持峰值集電極電流；另外方波電流時(shí)的飽和電壓往往要大于正弦電流下的飽和電壓；

二是電流開關(guān)型的效率比電壓開關(guān)型放大器低。但電流開關(guān)放大器取得功率的能力要強(qiáng)些；

三是在電流開關(guān)電路中，當(dāng)負(fù)載R突然斷開時(shí)所出現(xiàn)的瞬態(tài)效應(yīng)，會(huì)使開關(guān)承受較高的浪涌電壓，因此降低了開關(guān)元件伏安容量的利用率。同時(shí)給設(shè)計(jì)者帶來一定的麻煩。

四是用相同開關(guān)元件，電流開關(guān)電路比電壓開關(guān)電路的選用電源電壓要低n倍，電源供出的電流大x倍。
五是負(fù)載失調(diào)時(shí)，通過電壓開關(guān)的電流變小，通過電流開關(guān)的電流變大。如果設(shè)計(jì)要求發(fā)生器能在一定的失調(diào)范圍內(nèi)工作，則電流開關(guān)電路對晶體管伏安容量的利用率又要降低好多。
然而以上兩種開關(guān)放大器其基本形式的輸出特性都是恒壓源性質(zhì)，同時(shí)在固定負(fù)載下，伏安容量利用率相等。用相同的開關(guān)元件可以得到相同的輸出功率。
電壓型開關(guān)放大器還可分成并聯(lián)型電壓開關(guān)放大器，如圖1-35(a)所示和串聯(lián)型電壓開關(guān)放大器，如圖1．36所示。

圖1．36 串聯(lián)電壓開關(guān)放大器

必須注意的是，無論開關(guān)如何連接，只要它們“開關(guān)出來的”是電壓源，即只要它們是用作 電壓開關(guān)的，那么，它們的負(fù)載只能是一個(gè)串聯(lián)諧振電路。這是因?yàn)殡娙菰谶@里不允許作為“開關(guān)出來的”方波電壓源的負(fù)載。否則，由于電容對高次諧波的短路作用．會(huì)給開關(guān)帶來危害。
串聯(lián)開關(guān)電路和并聯(lián)開關(guān)電路的原理是完全一樣的。因此設(shè)計(jì)也是類同的，僅有的區(qū)別在于電源電壓的選擇方面。如果開關(guān)元件所能承受的電流和電壓是一定的，那么并聯(lián)接法比串聯(lián)接法所選 用的電源電壓應(yīng)低一倍，而電源供出的電流應(yīng)大一倍，舉例來說，如果用串聯(lián)開關(guān)選220V電壓消耗4A電流，那么改用并聯(lián)開關(guān)時(shí)應(yīng)選110V電壓消耗8A電流。

3．串聯(lián)電壓開關(guān)型D類功率放大器的分析與設(shè)計(jì)

我們以串聯(lián)電壓開關(guān)型D類功率放大器為例，如圖1. 37所示，該圖與圖1．36實(shí)際是等效的，所不同的是圖1．36中的負(fù)載Rl可看作變壓器次級換能器在諧振時(shí)的純阻反映到變壓器初級的電阻。BG1與BG2為兩個(gè)參數(shù)基本相同的晶體管，LC串聯(lián)回路對工作頻率fo諧振。

假如激勵(lì)信號是頻率為fo的正弦波，在正半周時(shí)，BG1飽和導(dǎo)通，BG2截止；負(fù)半周時(shí)BG1截止，BG2飽和導(dǎo)通。圖1．38為其電壓、電流波形。

當(dāng)BG1飽和導(dǎo)通時(shí)，p點(diǎn)電壓為電源電壓vcc減去BG1的飽和壓降vcs。當(dāng)BG2飽和導(dǎo)通時(shí)，p點(diǎn)電壓則為BG2的飽和壓降vcs,兩管參數(shù)基本相同，故vcs1=vcs2=vcs且Up為矩形波。
經(jīng)過LC串聯(lián)諧振回路選頻濾波后．在負(fù)載電阻Rl．上就可得到頻率為fo的正弦波電壓ul，完成其放大功能。
由于兩管輪流導(dǎo)通處于開關(guān)工作狀態(tài)，up為矩形波，故稱為電壓開關(guān)型，且輸出的最低諧波是三次，所以輸出波形較好。
如將圖1．38中UP的座標(biāo)軸上移如圖1．39所示。根據(jù)周期性對稱方波諧波表示式：

式中Upm是方波振幅，ωo是基波角頻率，在D類開關(guān)電路中

當(dāng)LC回路諧振于fo時(shí)，在RL上的基波電壓幅度為

所以RL上的有效值電壓為 

放大器的輸出功率：

又因

這里IA為基波電流的有效值，其峰值為

所以流過晶體管的直流分量ICO為

電源輸入功率為：

放大器的效率η為：

可見，當(dāng)晶體管的飽和壓降vcS愈小，則放大器的效率愈高，若VCS→0則η→100％。以上是在 電感、電容、晶體管都不計(jì)損耗的理想情況下得到的結(jié)果，實(shí)際上是有損耗的。其損耗主要存在著兩類，在高頻運(yùn)用時(shí)，其晶體管內(nèi)部損耗更不容忽視的。

(1)閉態(tài)飽和損耗 、
由(1．101)式可知．晶體管飽和壓降愈大則效率越低。理論和實(shí)驗(yàn)可以說明，隨著頻率的升高和功率加大，飽和壓降將迅速增大，為了減小飽和損耗，必須選用fT高的晶體管。一般來說，對小功率管(<10W)，f≥0.1fT，對于大功率管(>10W) f ≥0.01fT時(shí)才需考慮飽和壓降的影響。
因?yàn)檫@時(shí)飽和壓降隨頻率急劇增大，在大功率時(shí)由于電流的增加飽和壓降也大大上升，因此D類放大器的效率在這些頻率和電流下將急劇下降。

(2)開關(guān)過程引起的過渡損耗。
過渡損耗是由過渡瞬變過程的時(shí)間來確定，它取決于晶體管電流或電壓的上升和下降時(shí)間及基極和集電極的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)。在晶體管電流或電壓上升和下降時(shí)間內(nèi)，晶體管處于有源狀態(tài)，要消耗一定功率。此外接通延遲時(shí)間td（由晶體管基極電容和其他電路電容的充電時(shí)間決定）和晶體管開關(guān)從飽和進(jìn)入有源狀態(tài)時(shí)，從基區(qū)和集電極抽出過量電荷的存儲(chǔ)時(shí)間ts也要增大過渡損耗。延遲時(shí)間td和存儲(chǔ)時(shí)間ts，不僅延長晶體管的開關(guān)過渡過程，而且要產(chǎn)生電流和電壓瞬變，會(huì)使晶體管由于二次擊穿或雪崩效應(yīng)而損壞。

圖1．40是電壓開關(guān)放大器的波形。如果晶體管存儲(chǔ)時(shí)間大于接通延遲時(shí)間，兩個(gè)晶體管將同時(shí)處于閉態(tài)。大的瞬間集電極電流將通過低阻通路從集電極電源到地。不僅要降低放大器的效率，而且要使器件的可靠性降低，因?yàn)樵诟叩募簧潆妷合拢^大的集電極電流要使器件由于二次擊穿而損壞。這種瞬態(tài)的集電極電流尖峰可以用附加基一射間的電容，增大器件接通延遲時(shí)間，限止兩個(gè)晶體管都處于“閉態(tài)”的時(shí)間間隔來減弱。
ib的負(fù)脈沖愈大，持續(xù)時(shí)間愈長，ts愈長，td主要取決于集電極電荷的存儲(chǔ)。隨著工作頻率的上升，晶體管的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)愈顯著，嚴(yán)重時(shí)可使兩管同時(shí)導(dǎo)通，出現(xiàn)危險(xiǎn)的雪崩，使晶體管損壞。集電極電荷存儲(chǔ)時(shí)間是隨著集電極電流的增加而增大，集電極電流又隨基極電流增加而增大，基極電流又隨激勵(lì)信號的加大而增大。因此選擇開關(guān)特性好，ft高且功率滿足要求的晶體管，設(shè)計(jì)最佳激勵(lì)，對于提高D類功率放大器的效率是完全必要的。
回路參數(shù)對p點(diǎn)電壓有相當(dāng)影響程度，圖1．41為激勵(lì)信號對P點(diǎn)波 形的影響。
在圖1．36 中基極加速電容CP對p點(diǎn)波形的影響，CP使p點(diǎn)電壓 波形的上升沿更徒，波形有所改善,略有提高。LC串聯(lián)諧振回路對p點(diǎn)電壓波形的影響是表演為電感上，它是放大器重要元件，要求Q值愈高愈好，若LC回路調(diào)諧不準(zhǔn)時(shí)，尤其回路呈感性時(shí)，p點(diǎn)也會(huì)出現(xiàn)激勵(lì)過大那樣的波形，對影響頗大。

圖1-41激勵(lì)信號對p點(diǎn)電壓波形的影響 
a信號小，功率小
b信號過大，功率大，效率低
c信號適當(dāng)，功率大，效率高
4．橋式功率放大器
’ 開關(guān)模式功率放大器除了上面講到的串聯(lián)，并聯(lián)式開關(guān)放大器外，還有橋式功率放大器，下面我們分析這種電路。
橋式功率放大器可分成半橋功率放大和全橋功率放大兩種形式。半橋式的原理圖如圖1．42所示
由圖可知，R1,R2為橋平衡電阻；C1、C2為橋臂電容，R3，R4，C3、C4為橋開關(guān)管吸收電路元件，其值可通過實(shí)驗(yàn)調(diào)整。橋與負(fù)載兩者，通過變壓器B連接。
工作原理如下；當(dāng)t1時(shí)刻，U1電平觸發(fā)BG1導(dǎo)通，i1通過BG1至變壓器初級1、2向電容C2充電，同時(shí)C1上的電荷向BG1和變壓器B1初級放電。從而在輸出變壓器B1次級感應(yīng)一個(gè)正半周脈沖電壓；當(dāng)在t2時(shí)刻．BG2，被觸發(fā)導(dǎo)通，i2通過電容c1，變壓器初級2，1向BG2充電，而C2的電荷也經(jīng)由變壓器初級2，1向BG2放電。在變壓器次級感應(yīng)一個(gè)負(fù)半周脈沖電壓，從而完成一個(gè)工作頻率的周期波形。

全橋功率放大器原理如圖1．43所示，如果將圖1．43與圖1．42相比，圖1.43中BG3，BG4，兩只功放管代替了圖1．42中的C1、C2。由BG1，、BG2＼BG3、BG4四只功率放大管組成了一個(gè)電橋，當(dāng)BG1， BG4，同時(shí)被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電流i1經(jīng)BG1,→變壓器的初級→BG4到地。這時(shí)在輸出變壓器次級感應(yīng)出 一個(gè)正半周波形電壓。當(dāng)BG3，BG2同時(shí)被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電流i2經(jīng)由BG3→變壓器初級→BG2到地， 這時(shí)在變壓器次級感應(yīng)出一個(gè)負(fù)半周波形電壓．從而完成了一個(gè)周期波形的電壓。
橋式開關(guān)功率放大器其設(shè)計(jì)原理同串聯(lián)電壓開關(guān)放大器，它主要適合在大功率的超聲源中。

輸出功率的調(diào)整
一般采用以下兩種方法
1 改變激勵(lì)信號導(dǎo)通角
一個(gè)電路應(yīng)用的實(shí)例如圖所示
2 改變電源電壓
可以采用可控硅調(diào)整直流電源電壓或者采用開關(guān)控制切換電源變壓器繞組方式。

功率放大器的保護(hù)
主要涉及過壓，過流，負(fù)載開，短路保護(hù)等等，請參考相關(guān)資料。

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