一种D类超声功率放大器及水声发射机制造技术

本申请提供了一种D类超声功率放大器及水声发射机，所述D类超声功率放大器包括：音频功放单元，对基波信号进行调制和功率放大，输出脉冲宽度调制信号(PWM)；超声功放与音频功放兼容设计模块，对脉冲宽度调制信号(PWM)进行低通滤波处理，同时满足负载的匹配和阻抗变换的要求；兼容控制模块，用于控制所述超声功放与音频功放兼容设计模块是否工作；变压器，对脉冲宽度调制信号(PWM)进行包括低通滤波、电压变换的信号处理，同时满足负载的匹配和阻抗变换的要求。本申请使用变压器替代传统的“低通滤波器+匹配元器件+变压器”的结构模式，结构简单，以及通过超声功放与音频功放兼容设计模块的设计，使电路具有兼容音频功放和超声功放的特点。放的特点。放的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种D类超声功率放大器及水声发射机


[0001]本申请涉及水声
，特别涉及一种D类超声功率放大器及水声发射机。

技术介绍

[0002]通信技术的载体一般是无线电波、光波和声波。无线电波和光波的优点在于其频率高，可携带信息量大，信息传输效率高。但是缺点也很明显，就是无线电波和光波在水中传输能量损耗极大。经研究发现，不同频率的电磁波在水下的损耗不一样，蓝绿光的损失最小。在不断增加激光发射功率的条件下，目前蓝绿光最大传输距离也仅有一百多米。声波是目前已知的唯一可以进行水下远距离通信的载体。同样受到传输损耗的影响，声波的频率越高，传输损耗越大，所以想要增加带宽，就必需要减少传输距离或者增加功率，声波的频率低于20Hz的为次声波，高于20kHz的为超声波，20Hz至20kHz范围内的为人类可以听见的声波。但无论如何，在要求的带宽低于兆赫兹的前提下，采用声波通信依然具有很大的优势。
[0003]D类功率放大器效率极高，而且属于数字电路，易于集成，可以将效率极高的D类功率放大器引进声波通信。开关管、驱动电路以及保护电路集成在一个芯片上，可以极大缩小功放的体积。目前D类功率放大器的技术已经很成熟，功率也已经能做到几百瓦。所以利用音频功放实现超声功率放大，不仅兼容性高，而且实用性强，但是，大多数D类功率放大器都是针对音频(可以听见的声波)领域的，不能直接用于超声通信发射机。
[0004]普通的音频集成功放的技术成熟，应用广泛，用来做水声发射机开发时间短，方便耐用。但是，如果想将其直接用于超声通信发射机，会出现波形严重畸变，信号质量差等问题。其本质原因在于音频功放的低通滤波器是针对音频频段去设计的，中心频率一般设计在10KHz。所以当用于次生波发射或者超声波发射的时候，波形就会出现畸变。如果想要利用现有的音频功放芯片，就需要对整个水声发射机的功放有针对性地进行改变和设计。
[0005]图1为一种水声发射机的系统框图，如图1所示，目前水声发射机主要包括：信号发生装置、音频功放单元、低通滤波器、匹配元器件、变压器、换能器。目前现有的音频领域的D类功率放大器，为了提高效率，通常是用低通滤波器对将D类功率放大器的输出信号进行滤波处理，得到基波信号，然后再通过匹配和阻抗变换，将电信号转换成声信号。另一方面，目前水声发射机的负载是换能器，换能器作为容性负载的居多，所以功放在驱动换能器工作时，一般会采用感性匹配元器件抵消换能器负载中的容性成分。另外，负载中的阻抗不一定能满足功放的匹配阻抗要求，所以需要使用变压器对换能器阻抗进行变换，以便功放能够以最大功率驱动负载。
[0006]基于图1进行改造的水声发射机，音频功放单元与负载的换能器之间还包括“低通滤波器+匹配元器件+变压器”结构。低通滤波器一般采用LC滤波电路。低通滤波器的设计通常需要考电容电感的大小及材质，需要不断地测试和验证，最终才能设计出合适的频段的低通滤波器。音频功放设计技术成熟，通常在网上直接就可以找到合适的电容电感，但是超声功放参考设计相对较少，往往需要这种重复性地测试和验证。这种设计就显得非常复杂，
而且兼容性低、局限性大。

技术实现思路

[0007]本申请的目的在于解决现有技术存在的缺陷。
[0008]本申请提供了一种D类超声功率放大器及水声发射机，对传统的“低通滤波器+匹配元器件+变压器”的结构模式进行了改进，同时对音频功放和超声功放的功能进行了兼容性设计。
[0009]第一方面，本申请提供了一种D类超声功率放大器，所述D类超声功率放大器包括：音频功放单元，用于对输入的基波信号进行调制和功率放大处理，得到脉冲宽度调制信号(PWM)；超声功放与音频功放兼容设计模块，用于对所述脉冲宽度调制信号(PWM)进行低通滤波，同时满足负载的匹配和阻抗变换的要求；兼容控制模块，所述兼容控制模块为断开状态时，超声功放与音频功放兼容设计模块因断路而不工作，所述兼容控制模块为导通状态时，所述超声功放与音频功放兼容设计模块处于工作状态；变压器，用于对所述脉冲宽度调制信号(PWM)进行信号处理，包括低通滤波、电压变换，得到放大的基波信号，以及通过改变所述变压器的变比和绕制圈数，用于满足负载的匹配和阻抗变换的要求；其中，输入的基波信号为超声信号时，所述兼容控制模块为断开状态，超声功放与音频功放兼容设计模块因断路而不工作，所述变压器起到低通滤波、电压变换、匹配和阻抗变换的作用，输入的基波信号为音频信号时，所述兼容控制模块为导通状态，所述超声功放与音频功放兼容设计模块处于工作状态，并起到低通滤波、匹配和阻抗变换的作用，所述变压器只起到电压变换的作用。
[0010]在一个可行的实施例中，所述D类超声功率放大器，还包括：差分处理单元，用于对基波信号进行差分处理，得到基波差分信号，所述基波差分信号用于音频功放单元的输入信号。
[0011]在一个可行的实施例中，所述差分处理单元包括：至少一个隔直电路、至少一个运算放大器。
[0012]在一个可行的实施例中，所述运算放大器包括：具有过压保护能力的运放芯片，例如NE5532，可以防止输入电压过大。
[0013]在一个可行的实施例中，所述音频功放单元包括：音频集成功放单元，或音频非集成功放单元。
[0014]在一个可行的实施例中，所述变压器还包括：初级圈数满足防止磁芯饱和的要求，同时初级和次级变比小于1的变压器。
[0015]在一个可行的实施例中，所述超声功放与音频功放兼容设计模块包括：LC滤波电路，用于对调制和功率放大的脉冲宽度调制信号(PWM)进行低通滤波处理，所述LC滤波电路包括LC滤波电感和/或LC滤波电容；匹配元器件，用于对所述D类超声功率放大器与负载之间的匹配和阻抗变换。
[0016]在一个可行的实施例中，所述D类超声功率放大器，还包括：供电系统，根据所选电路、芯片以及功率放大器等具体参数，确定所述供电系统的设计参数。
[0017]第二方面，本申请提供了一种水声发射机，所述水声发射机包括：信号发生装置，用于产生一定形式的信号；所述D类超声功率放大器，以所述一定形式的信号作为输入信
号，产生放大的基波信号；换能器，用于将放大的所述基波信号转换为声信号，辐射至介质中。
[0018]本申请基于变压器本身属于感性元器件，且具有滤波能力，通过合理地设计变压器的变比和绕制圈数，使用变压器替代传统的“低通滤波器+匹配元器件+变压器”的结构模式，同时具有兼容音频功放和超声功放的特点。
[0019]本申请提供了一种D类超声功率放大器，所述D类超声功率放大器包括：差分处理单元，音频功放单元，超声功放与音频功放兼容设计模块，变压器。本申请使用变压器替代传统的“低通滤波器+感性匹配元器件+变压器”的结构模式，结构简单，以及通过超声功放与音频功放兼容设计模块，具有兼容超声功放和音频功放的特点。
附图说明
[0020]图1为本申请
技术介绍
的一种水声发射机的系统框图；
[0021]图2为本申请实施例的一种D类超声功率放大器的设计原理结构图图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种D类超声功率放大器，其特征在于，所述D类超声功率放大器包括：音频功放单元，用于对输入的基波信号进行调制和功率放大处理，得到脉冲宽度调制信号(PWM)；超声功放与音频功放兼容设计模块，用于对所述脉冲宽度调制信号(PWM)进行低通滤波，同时满足负载的匹配和阻抗变换的要求；兼容控制模块，所述兼容控制模块为断开状态时，超声功放与音频功放兼容设计模块因断路而不工作，所述兼容控制模块为导通状态时，所述超声功放与音频功放兼容设计模块处于工作状态；变压器，用于对所述脉冲宽度调制信号(PWM)进行信号处理，包括低通滤波、电压变换，得到放大的基波信号，以及通过改变所述变压器的变比和绕制圈数，用于满足负载的匹配和阻抗变换的要求；其中，输入的基波信号为超声信号时，所述兼容控制模块为断开状态，超声功放与音频功放兼容设计模块因断路而不工作，所述变压器起到低通滤波、电压变换、匹配和阻抗变换的作用，输入的基波信号为音频信号时，所述兼容控制模块为导通状态，所述超声功放与音频功放兼容设计模块处于工作状态，并起到低通滤波、匹配和阻抗变换的作用，所述变压器只起到电压变换的作用。2.根据权利要求1所述的D类超声功率放大器，其特征在于，所述D类超声功率放大器，还包括：差分处理单元，用于对基波信号进行差分处理，得到基波差分信号，所述基波差分信号用于音频功放单元的输入信号。3.根据权利要求2所述的D类超声功率放大器，其特征在于，所述差分处理单元包括：至少一个隔...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾大超，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：