压电小型化宽带功率放大器制造技术

本发明专利技术公开了一种用来驱动压电元件的具有高输出功率和高输出频率的小型化宽带功率放大器，包括大功率直流稳压源模块、高频电压放大模块和高频电流提升模块，大功率直流稳压源模块为高频电压放大模块和高频电流提升模块提供电源，外界输入的高频、低电压、小电流信号依次经过高频电压放大模块和高频电流提升模块后成为高频、高电压、高电流信号。本发明专利技术的功率放大器电路结构简单紧凑，体积小，接近普通电脑光驱大小的体积，能嵌入到计算机中与计算机组成集成化测试设备，可以极大地推动基于主动监测方法的结构健康监测技术的工程化应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种功率放大器，尤其涉及一种用来驱动压电元件的具有高输出 功率和高输出频率的小型化宽带功率放大器。二
技术介绍
压电材料既能作为传感元件，又能作为激励元件，并且能够组成复合材料， 具有宽广的应用前景。因此由压电材料制成的压电式激励器，如无损检测中的超 声探头，主动结构健康监测中的压电激励元件等，应用前景广阔。在当前的无损检测技术中，超声探头的激励设备通常都是可以发出大电压窄 脉冲的激励信号。这样做导致的结果是超声探头在物体中激励出超声以后，接 收到的传感信号带宽很宽，信号成分复杂，增加了信号处理的难度。这种能够发 出大电压窄脉冲激励信号的设备，它们通常不能根据用户的需求任意输出用户设 定的激励信号，如高频的正弦波、三角波、正弦调制信号等。如果激励设备能跟 根据用户设定而发出特定波形的激励信号，会给传感信号的分析带来极大的方 便。在当前结构健康监测技术的研究中，主动监测技术是一个研究热点。这项技 术的基本原理是任意函数发生器输出一个特定的信号(根据方法的不同，信号的频率范围在几十KHz到接近lMHz)，利用宽带功率放大器放大该信号，并输入 给布置在结构上的压电元件使其在结构中激发超声波，然后由布置在结构上的压 电元件感应超声波信号并由电荷放大器放大，再由数据采集设备采集传感信号进 行后期处理，最终给出结构的损伤状态评估。但是当前基于主动监测方法的结构 健康监测技术使用的功率放大器内部电路复杂，体积非常大，不利于系统的集成 和该技术的工程化应用。基于上述分析，要求有一种小体积的具有高输出功率和高输出频率的功率放 大器，能够输出幅度最大可达土100V，输出电流达到800mA，带宽上限可以达 到lMHz，整体输出功率可以达到50W 60W。这有助于推动上述各项技术的发 展。本专利技术正是在这种背景下孕育而生的。三
技术实现思路
1、 技术问题本专利技术要解决的技术问题是提供一种驱动压电元件的体积小并且 具有高输出功率和高输出频率的功率放大器。2、 技术方案为了解决上述的技术问题，本专利技术技术方案的功率放大器包括大3功率直流稳压源模块、高频电压放大模块和高频电流提升模块，大功率直流稳压 源模块为高频电压放大模块和高频电流提升模块提供电源，外界输入的高频(最 高lMHz)、低电压(幅度0V 士10V)、小电流(小于20mA)信号依次经过高 频电压放大模块和高频电流提升模块后成为高频(最高lMHz)、高电压(最高 士100V)、高电流信号(最高800mA);其中，大功率直流稳压源模块中，外界输 入的220V/110V交流电依次经过输入过压电流保护模块、变压器模块、整流滤 波模块转换成为直流电源高频电压放大模块中，外界输入的高频、低电压、小 电流信号经过放大倍数与输出相位调节模块的控制，由集成运算功率放大器模块 转换成为高频(最高lMHz)、高电压(最高士100V)、低电流信号(小于200mA); 高频电流提升模块中，高频电压放大模块输出的高频、高电压、低电流信号依次 经过交流耦合模块、推挽输出电流提升模块、输出限流模块和输出阻抗匹配模块 后转换成为高频、高电压、高电流信号；大功率直流稳压源模块为高频电压放大 模块中的集成运算功率放大器模块和高频电流提升模块中的推挽输出电流提升 模块、偏置模块供电。其中，高频电压放大模块对输入的低电压、低电流信号进行固定倍数的电压 放大，可将电压提升到接近电源大小；高频电流提升模块对高频电压放大模块的 输出信号进行电流提升放大；功率放大器输出接近于电源功率的高功率信号 (50W 60W)。由于高频电压放大模块和高频电流提升模块具有良好的高频特 性，可以保证高频信号不失真的放大。这样最终保证了具有高功率和高频率的信 号的输出。大功率直流稳压源模块中，220V/110V交流电通过变压器升压或降压，再通 过整流、滤波模块输出直流电源。在电源的输出端与负载之间加入输出过流报警 模块，它能起到保护大功率直流稳压源模块和高频电压放大模块的作用，并提示 用户功率放大器出现故障。在直流电源信号的输出端也接入一个电源指示模块， 向用户表明功率放大器的上电情况。高频电压放大模块中，由任意波形发生器等设备输入的高频、低电压、小电 流信号先经过输入限幅模块限幅，防止因为输入电压过大而使集成运算功率放大 器模块工作在饱和区，降低该模块的使用寿命；再进入集成运算功率放大器模块， 该模块的放大倍数和输出相位受到放大倍数、输出相位调节模块的控制，最后输 出固定倍数放大后的同相或反相信号，进行同相或反相的电压提升；放大倍数、 输出相位调节模块起到固定放大倍数，补偿相位误差以及补偿驱动容性负载产生 的信号振荡的作用；过压保护模块的功能是防止电压放大的信号超过电源大小而 损坏集成运算功率放大器模块；电压放大后的信号进入输出限流模块，该模块的 作用是限制由于负载的变化引起集成运算功率放大器模块输出电流过大，超过其4工作的安全域。最后输出高频、高电压、低电流信号。高频电流提升模块中，高频电压放大模块输出的高频、高电压、低电流信号 进入推挽输出电流提升模块。该模块电路主体结构采用推挽式电流放大电路将直 流电源的能量转换为交流信号的能量。为了保证电压信号不出现交越失真，采用 了偏置模块使推挽级电路预导通。在电路的输出端采用了电流输出限制及保护模 块。在输出对地短时，它能迅速切断输出，同时它也能防止输出电流过大，导致 直流电源损坏。高频电流提升模块的最后一级采用输出阻抗匹配模块，它能保证 输出功率的最大传输，使容性负载获得最大的功率。3、有益效果该功率放大器电路结构简单紧凑，各个模块的实现可以采用 高度集成化的电路，所以可以做到独立功率放大器仪器体积小，接近普通电脑光 驱大小的体积，携带轻便，而且它能嵌入到计算机中与计算机组成集成化测试设 备。具有以下优点(1)本专利技术能够对输入的任意波形信号进行功率放大输出；(2)本专利技术电路结构简单紧凑，实现的功率放大器设备体积小；(3)本专利技术可 以极大的推动基于主动监测方法的结构健康监测技术的工程化应用；(4)本专利技术 有助于推动无损检测技术的发展，扩展压电材料的应用领域。四附图说明图l功率放大器电路组成及信号流程图； 图2大功率直流稳压源模块示意图； 图3高频电压放大模块示意图； 图4高频电流提升模块示意图5本专利技术的一个功率放大器实施方式的电路图；其中a为大功率直流稳 压源模块电路图，b为高频电压放大模块电路图；C为高频电流提升模块。五具体实施例方式如图l、图2、图3及图4所示，本实施例的驱动压电容性负载的压电小型 化宽带功率放大器包括大功率直流稳压源模块、高频电压放大模块和高频电流提 升模块，大功率直流稳压源模块为高频电压放大模块和高频电流提升模块提供电 源，外界输入的高频、低电压、小电流信号依次经过高频电压放大模块和高频电 流提升模块后成为高频、高电压、高电流信号；其中，大功率直流稳压源模块中， 外界输入的交流电依次经过输入过压电流保护、变压器模块、整流滤波模块转换 成为直流电源信号；高频电压放大模块中，外界输入的高频、低电压、小电流信 号输入集成运算功率放大器模块，该模块受到放大倍数与输出相位调节模块控制 后将外界输入的高频、低电压、小电流信号转换成为高频、高电压、低电流信号；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电小型化宽带功率放大器，其特征在于，包括大功率直流稳压源模块、高频电压放大模块和高频电流提升模块，大功率直流稳压源模块为高频电压放大模块和高频电流提升模块提供电源，外界输入的高频、低电压、小电流信号依次经过高频电压放大模块和高频电流提升模块后成为高频、高电压、高电流信号；其中，大功率直流稳压源模块中，外界输入的交流电依次经过输入过压电流保护、变压器模块、整流滤波模块转换成为直流电源信号；高频电压放大模块中，外界输入的高频、低电压、小电流信号输入集成运算功率放大器模块，该模块受到放大倍数与输出相位调节模块控制后将外界输入的高频、低电压、小电流信号转换成为高频、高电压、低电流信号；高频电流提升模块中，高频电压放大模块输出的高频、高电压、低电流信号依次经过交流耦合模块、受偏置模块控制的推挽输出电流提升模块、输出限流模块和输出阻抗匹配模块后转换成为高频、高电压、高电流信号；大功率直流稳压源模块为高频电压放大模块中的集成运算功率放大器模块和高频电流提升模块中的推挽输出电流提升模块、偏置模块供电。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邱雷，袁慎芳，董晨华，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]