超聲波末級功率放大器的一般原理與設(shè)計

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)晶體管被激勵而接通時進(jìn)入飽和區(qū)，斷開時進(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)大的實際意義。
實際使用中大多數(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，輸入激勵信號使一管導(dǎo)通時另一管截止，導(dǎo)通截止時 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，因為電壓開關(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，整個導(dǎo)通角內(nèi)保持峰值集電極電流；另外方波電流時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些；

三是在電流開關(guān)電路中，當(dāng)負(fù)載R突然斷開時所出現(xiàn)的瞬態(tài)效應(yīng)，會使開關(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。同時給設(shè)計者帶來一定的麻煩。

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，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)載只能是一個串聯(lián)諧振電路。這是因為電容在這里不允許作為“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

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的純阻反映到變壓器初級的電阻。BG1與BG2為兩個參數(shù)基本相同的晶體管，LC串聯(lián)回路對工作頻率fo諧振。

假如激勵信號是頻率為fo的正弦波，在正半周時，BG1飽和導(dǎo)通，BG2截止；負(fù)半周時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，p點電壓為電源電壓vcc減去BG1的飽和壓降vcs。當(dāng)BG2飽和導(dǎo)通時，p點電壓則為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，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、晶體管都不計損耗的理想情況下得到的結(jié)果，實際上是有損耗的。其損耗主要存在著兩類，在高頻運用時，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。理論和實驗可以說明，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時才需考慮飽和壓降的影響。
因為這時飽和壓降隨頻率急劇增大，在大功率時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間來確定，它取決于晶體管電流或電壓的上升和下降時間及基極和集電極的電荷存儲效應(yīng)。在晶體管電流或電壓上升和下降時間內(nèi)，晶體管處于有源狀態(tài)，要消耗一定功率。此外接通延遲時間td（由晶體管基極電容和其他電路電容的充電時間決定）和晶體管開關(guān)從飽和進(jìn)入有源狀態(tài)時，從基區(qū)和集電極抽出過量電荷的存儲時間ts也要增大過渡損耗。延遲時間td和存儲時間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。如果晶體管存儲時間大于接通延遲時間，兩個晶體管將同時處于閉態(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，因為在高的集一射電壓下，過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間，限止兩個晶體管都處于“閉態(tài)”的時間間隔來減弱。
ib的負(fù)脈沖愈大，持續(xù)時間愈長，ts愈長，td主要取決于集電極電荷的存儲。隨著工作頻率的上升，晶體管的電荷存儲效應(yīng)愈顯著，嚴(yán)重時可使兩管同時導(dǎo)通，出現(xiàn)危險的雪崩，使晶體管損壞。集電極電荷存儲時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)計最佳激勵，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點電壓有相當(dāng)影響程度，圖1．41為激勵信號對P點波 形的影響。
在圖1．36 中基極加速電容CP對p點波形的影響，CP使p點電壓 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，尤其回路呈感性時，p點也會出現(xiàn)激勵過大那樣的波形，對影響頗大。

圖1-41激勵信號對p點電壓波形的影響 
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，其值可通過實驗調(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)一個正半周脈沖電壓；當(dāng)在t2時刻．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)一個負(fù)半周脈沖電壓，從而完成一個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電橋，當(dāng)BG1， BG4，同時被觸發(fā)導(dǎo)通時，電流i1經(jīng)BG1,→變壓器的初級→BG4到地。這時在輸出變壓器次級感應(yīng)出 一個正半周波形電壓。當(dāng)BG3，BG2同時被觸發(fā)導(dǎo)通時，電流i2經(jīng)由BG3→變壓器初級→BG2到地， 這時在變壓器次級感應(yīng)出一個負(fù)半周波形電壓．從而完成了一個周期波形的電壓。
橋式開關(guān)功率放大器其設(shè)計原理同串聯(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 改變激勵信號導(dǎo)通角
一個電路應(yīng)用的實例如圖所示
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
主要涉及過壓，過流，負(fù)載開，短路保護等等，請參考相關(guān)資料。

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