CN101499779B - 压电小型化宽带功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明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。
Description
一、技术领域
本发明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、背景技术
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1MHz)，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±100V，输出电流达到800mA，带宽上限可以达到1MHz，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。本发明正是在这种背景下孕育而生的。
三、发明内容
1、技术问题：本发明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，本发明技术方案的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(最高1MHz)、低电压(幅度0V～±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1MHz)、高电压(最高±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1MHz)、高电压(最高±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)本发明能够对输入的任意波形信号进行功率放大输出；(2)本发明电路结构简单紧凑，实现的功率放大器设备体积小；(3)本发明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)本发明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1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；
图5本发明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、具体实施方式
如图1、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；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。
大功率直流稳压源模块的输出端连接有一个电源指示模块和输出过流报警模块，其中，输出过流报警模块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；电源指示模块则向用户表明功率放大器的上电情况。
高频电压放大模块中，外界输入的高频、低电压、小电流信号先经过输入限幅模块限幅，然后进入集成运算功率放大器模块，输入限幅模块可防止因为输入电压过大而使后级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
高频电压放大模块还包括电压保护模块，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。
高频电流提升模块中，还包括一个使得推挽输出电流提升模块预导通的偏置模块，保证电压信号不出现交越失真。
如图5a所示为本实施例的大功率直流稳压源模块的电路结构图。外界工业220/110V交流电输入高瓦数变压器模块T1，T1降压并输出交流电。D1为全波整流桥、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4组成滤波模块，其中，电容C1与电容C2串联，电容C3与电容C4串联，电容C3、电容C4为去耦电容，T1输出的交流电通过整流桥D1，进行全桥整流输出。整流桥输出经过电解电容C1、C2滤波形成直流电源输出。保险F1、保险F2、蜂鸣器BUZZER1、电阻R1、蜂鸣器BUZZER2、电阻R2组成输出过流报警模块。直流电源通过自恢复保险丝F1、F2输出到IO1、IO2接口。如果负载短路，造成电流过大，自恢复保险丝断开，然后直流电源对由蜂鸣器BUZZER1、电阻R1和蜂鸣器BUZZER2、电阻R2组成的负载电路供电，引发蜂鸣器报警。直流电源输出的同时也引入由发光二极管LED1、电阻R3、电阻R4组成的电源指示模块，点亮发光二极管，表明功率放大器已经上电。大功率直流稳压源模块向高频电压放大模块和高频电流提升模块供电。保险F3、三极管Q1、电阻R5、电阻R6、电容C5、电容C6、二极管D2～D5共同组成电源过压过流保护模块。保险丝F3对电源起过流保护作用，三极管Q1、电阻R5、电阻R6、电容C5、电容C6、二极管D2～D5组成电源过压保护电路。
如图5b所示为高频电压放大模块电路结构示图，外界高频、低电压、小电流信号从输入接口IO3输入到高频电压放大模块。电源由IO1、IO2输入。开关J1、互感器T2、互感器T3、电阻R7～R10、R12、电容C7组成放大倍数、输出相位调节模块。通过开关J1与互感器T2、T3的组合，可以选择最后输出的信号与输入的信号反相或同相。电阻R12、电容C7用来补偿相位误差以及补偿驱动容性负载产生的信号振荡。电阻R7～R10用来固定电压放大倍数，图5(b)所示的R7～R10的电路结构是同相放大，也可以将固定电压放大倍数的电路做成反相放大。稳压管D1、D2组成输入限幅模块对输入信号限幅，防止因为输入电压过大而使级集成运算功率放大器工作在饱和区，降低放大器的使用寿命。放大器U1、二极管D6～D9、D12～D17组成集成运算功率放大器模块。放大器U1为集成运算功率放大器，主要实现对信号电压的放大功能。二极管D6～D9组成输入共模保护电路。二极管D12、D13组成输出过压保护电路。瞬变二极管D14、D15电源过压保护电路。二极管D16、D17组成电源反接保护电路。R11构成输出限流模块，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，超过其工作的安全域。
如图5c所示为高频电流提升模块电路结构示意图，高频电压放大模块输出的高频、高电压、低电流信号从输入接口IO4输入到高频电流提升模块。电容C8构成交流耦合模块，对高频电压放大模块输出信号去直流偏置，保证高频电压放大模块对高频电流提升模块的静态工作情况不产生影响。功率管Q2、功率管Q4、电阻R17、R18组成推挽输出电流提升模块，对电流进行提升。电阻R17、R18是发射极反馈电阻，限制功率管Q2、Q4集电极电流，防止穿透电流过大损坏功率管。电阻R13～R16与Q3组成偏置模块给推挽输出电流提升模块提供直流偏置，减小交越失真。自恢复保险丝F4与F5组成输出限流模块，起到限制输出电流的作用，在输出对地短路时，自恢复保险丝断开，起到保护作用。电阻R19和电感L1组成输出阻抗匹配模块，降低因为驱动容性负载带来的信号振荡。如上述实施方式实现的一台长180mm、宽145mm、高100mm的小型化功率放大器能达到的基本性能指标是：(1)输出信号电压与电流的乘积能达到至少50W；(2)最大信号频率可以达到1MHz；(3)任意波形信号功率放大；(4)放大器功耗60W；(5)放大器使用220V/110V交流供电。
Claims (5)
1.一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模块、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，该集成运算功率放大器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；所述的高频信号为最高1MHz的信号，低电压为幅度0～±10V的电压，小电流信号为小于20mA的电流信号，高电压为最高±100V的电压、高电流信号为最高800mA的电流信号，低电流信号为小于200mA的电流信号。
2.如权利要求1所述的压电小型化宽带功率放大器，其特征在于，大功率直流稳压源模块的输出端连接有一个电源指示模块和输出过流报警模块。
3.如权利要求1所述的压电小型化宽带功率放大器，其特征在于，高频电压放大模块中，外界输入的高频、低电压、小电流信号先经过输入限幅模块限幅，然后进入集成运算功率放大器模块，该集成运算功率放大器模块受到放大倍数、输出相位调节模块的控制对信号进行固定倍数放大。
4.如权利要求1所述的压电小型化宽带功率放大器，其特征在于，高频电压放大模块还包括电压保护模块。
5.如权利要求1所述的压电小型化宽带功率放大器，其特征在于，高频电流提升模块中，还包括一个使得推挽输出电流提升模块预导通的偏置模块。
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