CN110620623A - 一种基于Class-D水声通信的功放及水声通信设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Class‑D的水声通信功放及水声通信设备,属于水声通信技术领域。本发明的基于Class‑D的水声通信功放包括积分电路、电平转换电路、驱动部件以及MOS开关部件;所述积分电路用于产生三角波信号;所述电平转换电路用于将所述三角波信号转换为PWM信号;所述驱动部件接收所述PWM信号,以驱动所述MOS开关部件。本发明的基于Class‑D的水声通信功放有助于提高水声通信的距离,达到超远距离水声通信的目的。
Description
技术领域
本发明涉及水声通信技术领域,具体涉及一种基于Class-D水声通信的功放及水声通信设备。
背景技术
水声通信时一种在水下收发信息的技术,水声通信的工作原理是将文字、语音、图像等信息,通过电发送机转换成电信号,并由编码器将信息数字化处理后,换能器又将电信号转换为声信号,声信号通过水这一介质,将信号传递到接收换能器,这时声信号又转换为电信号,解码器将数字信号破译后,电接收机才将信号变成声音、文字及图片。
实现水声通信的超长距离通信是目前水声通信一个难点,其中一个重要原因在于,水声通信功放的输出功率难以提高。目前,水声通信功放大多采用基于单片的Class-D方案,此单片芯片内部集成了积分电路、MOSFET驱动以及MOSFET,由于工作电压低、工作电流小、尺寸小等原因,严重限制了功放的发送功率,从而导致水声通信系统无法进行超远距离通信。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供一种基于Class-D的水声通信功放及水声通信功放设备。
第一方面,本发明提供一种基于Class-D的水声通信功放,包括积分电路、电平转换电路、驱动部件以及MOS开关部件;
所述积分电路用于产生三角波信号;
所述电平转换电路用于将所述三角波信号转换为PWM信号;
所述驱动部件接收所述PWM信号,以驱动所述MOS开关部件。
进一步地,所述驱动部件与所述MOS开关部件在物理上分立设置。
进一步地,所述驱动部件与所述MOS开关部件设置不同的物理板卡上。
进一步地,所述MOS开关部件为MOS全桥电路。
进一步地,所述驱动部件包括第一驱动器与第二驱动器;
所述电平转换电路将所述三角波信号转换为PWM信号,包括:
所述电平转换电路将所述三角波信号转换为相位相反的两个PWM信号;
其中,两个所述PWM信号分别输入到所述第一驱动器与所述第二驱动器,使所述第一驱动器驱动所述MOS全桥电路的上半桥,所述第二驱动器驱动所述MOS全桥电路的下半桥。
进一步地,还包括阻抗匹配变压器与换能器,所述阻抗变压器与所述换能器通过匹配电路连接,所述阻抗匹配变压器同时与所述MOS全桥电路的上半桥与下半桥连接。
进一步地,包括第一高频滤波电路与第二高频滤波电路;
所述第一高频滤波电路设于所述MOS全桥电路的上半桥与所述阻抗匹配变压器之间;
所述第二高频滤波电路设于所述MOS全桥电路的下半桥与所述阻抗匹配变压器之间。
进一步地,还包括反馈电路,所述反馈电路从MOS全桥电路的输出端回连至所述积分电路。
进一步地,所述MOS全桥电路的上半桥包括第一MOS晶体管与第二MOS晶体管,所述第一MOS晶体管的漏极与所述第二MOS晶体管的源极相连,所述MOS全桥电路的下半桥包括第三MOS晶体管与第四MOS晶体管,所述第三MOS晶体管的漏极与所述第四MOS晶体管的源极相连;
所述第一驱动器包括第一高压信号端子、第一低压信号端子以及第一基准信号端子,所述第一高压信号端子与所述第一MOS晶体管的栅极连接,所述第一低压信号端子与所述第二MOS晶体管的栅极连接,所述第一基准信号端子与所述第一MOS晶体管的漏极、所述第二MOS晶体管的源极并接;
所述第二驱动器包括第二高压信号端子、第二低压信号端子以及第二基准信号端子,所述第二高压信号端子与所述第三MOS晶体管的栅极连接,所述第二低压信号端子与所述第四MOS晶体管的栅极连接,所述第二基准信号端子与所述第三MOS晶体管的漏极、所述第四MOS晶体管的源极并接。
进一步地,还包括第一自举电路与第二自举电路;
所述第一自举电路包括第一电源端子与第一自举电容,所述第一自举电容的一端与所述第一基准信号端子相连,所述第一自举电容的另一端与所述第一电源端子以及所述第一MOS晶体管的栅极并接;
所述第二自举电路包括第二电源端子与第二自举电容,所述第二自举电容的一端与所述第二基准信号端子相连,所述第二自举电容的另一端与所述第二电源端子以及所述第三MOS晶体管的栅极并接。
进一步地,所述第一自举电路还包括第一二极管,所述第一二极管的一端与所述第一电源端子连接,所述第一二极管的另一端与所述第一自举电容以及所述第一MOS晶体管的栅极相连,所述第一二极管供所述第一电源端子为所述第一自举电容充电;
所述第二自举电路还包括第二二极管,所述第二二极管的一端与所述第二电源端子连接,所述第二二极管的另一端与所述第二自举电容以及所述第三MOS晶体管的栅极相连,所述第二二极管供所述第二端子为所述第二自举电容充电。
第二方面,本发明还提供一种水声通信设备,包括如上所述的基于Class-D的水声通信功放。
本发明实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点:
本发明实施例提供的基于Class-D的水声通信功放,相比于传统的Class-D功放,按照积分电路、电平转换电路、驱动部件以及MOS开关部件进行分割,因此,MOS开关部件可以选择更大的功率或更大的散热面积,从而有助于提高水声通信的距离,达到超远距离水声通信的目的。
附图说明
本发明上述和/或附加方面的优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1是本发明一个实施例的基于Class-D的水声通信功放的原理示意图;
图2是本发明一个实施例的基于Class-D的水声通信功放的电路原理示意图。
其中图1与图2中附图标记与部件名称之间的对应关系为:
1、积分电路;2、电平转换电路;3、驱动部件;30、第一驱动器;31、第二驱动器;4、MOS开关部件;5、模拟输入;6、阻抗匹配变压器;7、匹配电路;8、换能器;90、第一反馈电路;91、第二反馈电路;G1、第一MOS晶体管;G2、第二MOS晶体管;G3、第三MOS晶体管;G4、第四MOS晶体管;HO1、第一高压信号端子;VS1、第一基准信号端子;LO1、第一低压信号端子;HO2、第二高压信号端子;VS2、第二基准信号端子;LO2、第二低压信号端子;V1、第一源极电源端子;V2、第一漏极电源端子;V3、第二源极电源端子;V4、第二漏极电源端子;V10、第一电源端子;V11、第二电源端子;L1、第一电感;L2、第二电感、C1、第一电容;C2、第二电容;C3、第一自举电容;C4、第二自举电容;D1、第一二极管;D2、第二二极管。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点,下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
参照图1,本发明提供一种基于Class-D的水声通信功放,包括积分电路1、电平转换电路2、驱动部件3、MOS开关部件4。其中,积分电路1用于产生三角波信号,电平转换电路2接收积分电路1产生的三角波信号,并将其转换为PWM信号,该PWM信号输入到驱动部件3内,以使驱动部件3驱动MOS开关部件4工作,传统的Class-D功放为一集成的单片,本申请中,将积分电路1、电平转换电路2、驱动部件3、MOS开关部件4按照模块进行分割,然后进行系统的连接,使得MOS开关部件4可以选择更大的功率、更大的散热面积以及更大的尺寸,有利于输出更高的功率。
在一个实施例中,驱动部件3与MOS开关部件4在物理上分立设置,两者之间通过导线、引脚等电性连接。优选的,驱动部件3与MOS开关部件4分别设置在不同的物理板卡上,即MOS开关部件4设置于独立的板卡上,这样,根据需求的不同,可以选择功率、散热、尺寸符合要求的MOS开关部件4,以满足超远距离通信的要求。
如图1与图2,工作时,向积分电路1输入模拟输入4,积分电路1将模拟输入4的信号转换为三角波信号,电平转换电路2将三角波信号再转换为PWM信号,得到的PWM信号被输入到驱动部件3,以使驱动部件3驱动MOS开关部件4,MOS开关部件4的输出端连接有阻抗匹配变压器6,阻抗匹配变压器6通过匹配电路7连接换能器8,换能器8能够将电信号转换为声波信号,通过得到的声波信号实现信息的传递。
在一个实施例中,MOS开关部件4为MOS全桥电路。如图2,MOS全桥电路具有上半桥与下半桥,上半桥与下半桥同时与阻抗匹配变压器6相连,同时驱动一个换能器8,以提高输出功率,进而提高水声通信距离。
优选的,驱动部件3包括第一驱动器30、第二驱动器31,电平转换电路2将三角波信号转换为PWM信号时,分别转换出相位相反的两个PWM信号,一个PWM信号传递给第一驱动器30,使第一驱动器30驱动MOS全桥电路的上半桥,另一个PWM信号传递给第二驱动器31,使第二驱动器31驱动MOS全桥电路的下半桥。
在一个实施例中,本发明的基于Class-D的水声通信功放还包括第一高频滤波电路与第二高频滤波电路。其中,第一高频滤波电路设置于MOS全桥电路的上半桥与阻抗匹配变压器6之间,第二高频滤波电路设置于MOS全桥电路的下半桥与阻抗匹配变压器6之间,第一高频滤波电路用于过滤掉MOS全桥电路的上半桥输出的高频信号,第二高频滤波电路用于过滤掉MOS全桥电路的下半桥输出的高频信号。
在一个实施例中,第一高频滤波电路包括第一电感L1与第一电容C1,第一电感L1与第一电容C1组成LC电路,第一电感L1的一端与MOS开关电路的上半桥的输出端连接,第一电感L1的另一端与阻抗匹配变压器6连接,第一电容C1的一端并接在第一电感L1与阻抗匹配变压器6之间,第一电容C1的另一端接地;同理,第二高频滤波电路包括第二电感L2与第二电容C2,第二电感L2与第二电容C2组成LC电路,第二电感L2的一端与MOS开关电路的下半桥的输出端连接,第二电感L2的另一端与阻抗匹配变压器6连接,第二电容C2的一端并接在第二电感L2与阻抗匹配变压器6之间,第二电容C2的另一端接地。
优选的,本发明的基于Class-D的水声通信功放还包括反馈电路,反馈电路从MOS全桥电路的输出端回连至积分电路,以对输出信号进行调节。在一个实施例中,反馈电路包括第一反馈电路90、第二反馈电路91,其中,第一反馈电路90从MOS全桥开关的上半桥的输出端回连至积分电路1,第一反馈电路90与MOS全桥开关的上半桥的输出端的连接点位于第一高频滤波电路与阻抗匹配变压器6之间,第二反馈电路91从MOS全桥开关的下半桥的输出端回连至积分电路1,第二反馈电路91与MOS全桥开关的下半桥的输出端的连接点位于第二高频滤波电路与阻抗匹配变压器6之间。
在一个实施例中,MOS全桥电路的上半桥包括第一MOS晶体管G1与第二MOS晶体管G2,第一MOS晶体管G1的漏极与第二MOS晶体管G2的源极连接,第一MOS晶体管G1的源极连接第一源极电源端子V1,第二MOS晶体管G2的漏极连接第一漏极电源端子V2,第一源极电源端子V1与第一漏极电源端子V2的方向相反,大小相等。第一驱动器30包括第一高压信号端子HO1、第一低压信号端子LO1与第一基准信号端子VS1,第一高压信号端子HO1与第一MOS晶体管G1的栅极连接,第一低压信号端子LO1与第二MOS晶体管G2的栅极连接,第一基准信号端子VS1与第一MOS晶体管G1的漏极、第二MOS晶体管G2的源极并接。
优选的,还包括第一自举电路,第一自举电路包括第一电源端子V10与第一自举电容C3,第一自举电容C3的一端与第一基准信号端子VS1相连,第一自举电容C3的另一端与第一电源端子V10以及第一MOS晶体管G1的栅极并接,第一电源端子V10与第一自举电容C3之间还设有第一二极管D1,第一二极管D1的一端与第一电源端子V10连接,第一二极管D1的另一端与第一自举电容C3以及第一MOS晶体管G1的栅极相连,第一二极管D1供第一电源端子V10为第一自举电容C3充电,以抬高第一MOS晶体管G1的栅极的电压。
同理,MOS全桥电路的下半桥包括第三MOS晶体管G3与第四MOS晶体管G4,第三MOS晶体管G3的漏极与第四MOS晶体管G4的源极连接,第三MOS晶体管G3的源极连接第二源极电源端子V3,第四MOS晶体管G4的漏极连接第二漏极电源端子V4,第二源极电源端子V3与第二漏极电源端子V4的电压大小相等,方向相反。第二驱动器31包括第二高压信号端子HO2、第二低压信号端子LO2以及第二基准信号端子VS2,第二高压信号端子HO2与第三MOS晶体管G3的栅极连接,第二低压信号端子LO2与第四MOS晶体管G4的栅极漏极,第二基准信号端子VS2与第三MOS晶体管G3的漏极、第四MOS晶体管G4的源极并接。
优选的,还包括第二自举电路,第二自举电路包括第二电源端子V11与第二自举电容C4,第二自举电容C4的一端与第二基准信号端子VS2相连,第二自举电容C4的另一端与第二电源端子V11以及第三MOS晶体管G3的栅极并接,第二电源端子V11与第二自举电容C4之间还设有第二二极管D2,第二二极管D2的一端与第二电源端子V11连接,第二二极管D2的另一端与第二自举电容C4以及第三MOS晶体管G3的栅极相连,第二二极管D2供第二电源端子V11为第二自举电容C4充电,以抬高第三MOS晶体管G3的栅极的电压。
本发明的基于Class-D的水声通信功放,其具体工作原理为:系统噪声通过积分电路1产生三角波信号,再由电平转换电路2转换为两个反相、占空比为50%的PWM信号,两个PWM信号分别输入到第一驱动器30、第二驱动器31中,然后通过第一驱动器30、第二驱动器31分别驱动MOS全桥电路的上下半桥,信号输出前,通过LC电路滤掉高频信号,再通过阻抗匹配变压器6来驱动换能器8,进而通过换能器8将电信号转换为声波信号,进行信号在水中的传递;当有信号输入时,积分电路1将信号调制到三角波信号上,通过电平转换电路2转换出占空比随信号大小频率变化而变化的PWM信号,然后通过驱动部件3驱动MOS开关部件4,达到功率放大的目的。由于MOS开关部件4为MOS全桥电路,通过MOS全桥电路的上半桥、下半桥同时驱动一个换能器8,因此,可以提高输出的功率。
在上述方案的基础上,本发明实施例还提供一种水声通信设备,其包括如上所述的基于Class-D的水声通信功放。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“连通”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接连通,也可以通过中间媒介间接连通,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外,在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种基于Class-D的水声通信功放,其特征在于:包括积分电路、电平转换电路、驱动部件以及MOS开关部件;
所述积分电路用于产生三角波信号;
所述电平转换电路用于将所述三角波信号转换为PWM信号;
所述驱动部件接收所述PWM信号,以驱动所述MOS开关部件。
2.根据权利要求1所述的基于Class-D的水声通信功放,其特征在于:所述驱动部件与所述MOS开关部件在物理上分立设置。
3.根据权利要求2所述的基于Class-D的水声通信功放,其特征在于:所述驱动部件与所述MOS开关部件设置在不同的物理板卡上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的基于Class-D的水声通信功放,其特征在于:所述MOS开关部件为MOS全桥电路。
5.根据权利要求4所述的基于Class-D的水声通信功放,其特征在于,
所述驱动部件包括第一驱动器与第二驱动器;
所述电平转换电路将所述三角波信号转换为PWM信号,包括:
所述电平转换电路将所述三角波信号转换为相位相反的两个PWM信号;
其中,两个所述PWM信号分别输入到所述第一驱动器与所述第二驱动器,使所述第一驱动器驱动所述MOS全桥电路的上半桥,所述第二驱动器驱动所述MOS全桥电路的下半桥。
6.根据权利要求5所述的基于Class-D的水声通信功放,其特征在于:还包括阻抗匹配变压器与换能器,所述阻抗变压器与所述换能器通过匹配电路连接,所述阻抗匹配变压器同时与所述MOS全桥电路的上半桥与下半桥连接。
7.根据权利要求5所述的基于Class-D的水声通信功放,其特征在于:
包括第一高频滤波电路与第二高频滤波电路;
所述第一高频滤波电路设于所述MOS全桥电路的上半桥与所述阻抗匹配变压器之间;
所述第二高频滤波电路设于所述MOS全桥电路的下半桥与所述阻抗匹配变压器之间。
8.根据权利要求5所述的基于Class-D的水声通信功放,其特征在于:还包括反馈电路,所述反馈电路从MOS全桥电路的输出端回连至所述积分电路。
9.根据权利要求5所述的基于Class-D的水声通信功放,其特征在于:
所述MOS全桥电路的上半桥包括第一MOS晶体管与第二MOS晶体管,所述第一MOS晶体管的漏极与所述第二MOS晶体管的源极相连,所述MOS全桥电路的下半桥包括第三MOS晶体管与第四MOS晶体管,所述第三MOS晶体管的漏极与所述第四MOS晶体管的源极相连;
所述第一驱动器包括第一高压信号端子、第一低压信号端子以及第一基准信号端子,所述第一高压信号端子与所述第一MOS晶体管的栅极连接,所述第一低压信号端子与所述第二MOS晶体管的栅极连接,所述第一基准信号端子与所述第一MOS晶体管的漏极、所述第二MOS晶体管的源极并接;
所述第二驱动器包括第二高压信号端子、第二低压信号端子以及第二基准信号端子,所述第二高压信号端子与所述第三MOS晶体管的栅极连接,所述第二低压信号端子与所述第四MOS晶体管的栅极连接,所述第二基准信号端子与所述第三MOS晶体管的漏极、所述第四MOS晶体管的源极并接。
10.根据权利要求9所述的基于Class-D的水声通信功放,其特征在于:
还包括第一自举电路与第二自举电路;
所述第一自举电路包括第一电源端子与第一自举电容,所述第一自举电容的一端与所述第一基准信号端子相连,所述第一自举电容的另一端与所述第一电源端子以及所述第一MOS晶体管的栅极并接;
所述第二自举电路包括第二电源端子与第二自举电容,所述第二自举电容的一端与所述第二基准信号端子相连,所述第二自举电容的另一端与所述第二电源端子以及所述第三MOS晶体管的栅极并接。
11.根据权利要求10所述的基于Class-D的水声通信功放,其特征在于:
所述第一自举电路还包括第一二极管,所述第一二极管的一端与所述第一电源端子连接,所述第一二极管的另一端与所述第一自举电容以及所述第一MOS晶体管的栅极相连,所述第一二极管供所述第一电源端子为所述第一自举电容充电;
所述第二自举电路还包括第二二极管,所述第二二极管的一端与所述第二电源端子连接,所述第二二极管的另一端与所述第二自举电容以及所述第三MOS晶体管的栅极相连,所述第二二极管供所述第二端子为所述第二自举电容充电。
12.一种水声通信设备,其特征在于,包括如权利要求1至11中任一项所述的基于Class-D的水声通信功放。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
CB02 | Change of applicant information |
Address after: B1203-1204, Shenzhen national engineering laboratory building, 20 Gaoxin South 7th Road, Gaoxin community, Yuehai street, Nanshan District, Shenzhen, Guangdong 518000 Applicant after: SMART OCEAN TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: Room 01, 11th floor, Sanhang science and technology building, Northwest University of technology, Gaoxin South 9th Road, Yuehai street, Nanshan District, Shenzhen, Guangdong 518000 Applicant before: SMART OCEAN TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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CB02 | Change of applicant information | ||
GR01 | Patent grant | ||
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