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CN108092634A - 一种宽频带、大功率水声d类功率放大器 - Google Patents

一种宽频带、大功率水声d类功率放大器 Download PDF

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吴宜荣
吴志聪
黄奇家
姜守明
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    • H03F1/523—Circuit arrangements for protecting such amplifiers for amplifiers using field-effect devices

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  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

本发明公开了一种宽频带、大功率水声D类功率放大器，所述功率放大器包括功率放大电路，所述功率放大电路包括PWM信号发生电路和PWM信号放大电路，所述PWM信号放大电路包括死区时间控制电路、上MOS管开关电路和下MOS管开关电路，所述死区时间控制电路的输出端与所述上MOS管开关电路的输入端相连，所述死区时间控制电路的输出端与所述下MOS管开关电路的输入端相连；所述上MOS管开关电路的输入端与一反相缓冲器相连；所述上MOS管开关电路与下MOS管开关电路并联后和所述功率放大器的输出端相连。与现有技术相比，本发明结构的功率放大器具有体积小、失真度低及效率高等优点。

Description

一种宽频带、大功率水声D类功率放大器
技术领域
本发明涉及水下通信设备领域，具体涉及一种宽频带、大功率水声D类功率放大器。
背景技术
功率放大器，简称功放，是指在给定失真率条件下，能产生最大功率输出以驱动某一负载的放大器。随着电子技术的发展，功率放大器受到越来越广泛的应用。由于水下通信设备通常需要长时间工作，还要同时保证通信的质量，因此，不仅对效率有很高的要求，而且对带内平坦度也有很高要求。传统线性功率放大器大多是针对窄带信号进行设计的，由于传统线性功率放大器的输出阻抗具有起伏变化大、体积大、效率低等缺点，导致后级匹配困难、功率放大电路发热量大、占用空间大等，因此，传统的线性功率放大器设计在水声宽带大功率的要求下很难适用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种宽频带、大功率水声D类功率放大器，尤其适用于水下通信设备。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种宽频带、大功率水声D类功率放大器，所述功率放大器包括功率放大电路，所述功率放大电路包括脉宽调制(PulseWidth Modulation，PWM)信号发生电路和PWM信号放大电路，所述PWM信号放大电路包括死区时间控制电路、上金属-氧化物-半导体(metal oxide semiconductor，MOS)管开关电路和下MOS管开关电路，所述死区时间控制电路的输出端与所述上MOS管开关电路的输入端相连，所述死区时间控制电路的输出端与所述下MOS管开关电路的输入端相连；所述上MOS管开关电路的输入端与一反相缓冲器相连；所述上MOS管开关电路与下MOS管开关电路并联后和所述功率放大器的输出端相连。
本发明的有益效果在于：D类功率放大电路也被称作数字功率放大电路，理论上效率可以达到100％。本发明结构的D类功率放大器的带内平坦度小，具有效率高、体积小、频带宽、失真度低等特点，可以很好的满足水下通信设备的需要。设置死区时间控制电路，保护后级大功率MOS管正常工作，防止上下两个MOS管同时导通，电流过大而烧毁MOS管，经过死区时间设置后的PWM信号分别控制两个MOS管，上路MOS管控制电平经过反相缓冲器进行电平转换，极性与下路MOS管控制电平相反；上下两路MOS管分别导通，最终输出经过放大的PWM信号。
附图说明
图1为本发明实施例1～2的功率放大器的功率放大电路的结构示意图；
图2为本发明实施例1～2的PWM信号发生电路的波形图；
图3为本发明实施例1的外围设备的输出声源级；
图4为本发明实施例1的通信测试星座图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
一种宽频带、大功率水声D类功率放大器，所述功率放大器包括功率放大电路，所述功率放大电路包括脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)信号发生电路和PWM信号放大电路，所述PWM信号放大电路包括死区时间控制电路、上金属-氧化物-半导体(metaloxide semiconductor，MOS)管开关电路和下MOS管开关电路，所述死区时间控制电路的输出端与所述上MOS管开关电路的输入端相连，所述死区时间控制电路的输出端与所述下MOS管开关电路的输入端相连；所述上MOS管开关电路的输入端与一反相缓冲器相连；所述上MOS管开关电路与下MOS管开关电路并联后和所述功率放大器的输出端相连。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：D类功率放大电路也被称作数字功率放大电路，理论上效率可以达到100％。本发明结构的D类功率放大器的带内平坦度小，具有效率高、体积小、频带宽、失真度低等特点，可以很好的满足水下通信设备的需要。设置死区时间控制电路，保护后级大功率MOS管正常工作，防止上下两个MOS管同时导通，电流过大而烧毁MOS管，经过死区时间设置后的PWM信号分别控制两个MOS管，上路MOS管控制电平经过反相缓冲器进行电平转换，极性与下路MOS管控制电平相反；上下两路MOS管分别导通，最终输出经过放大的PWM信号。
进一步地，所述PWM发生电路包括正弦波电路、运算放大器、三角波发生器和比较器，所述正弦波电路的输出端与所述运算放大器的输入端相连，所述运算放大器的输出端和三角波发生器的输出端均与所述比较器的输入端相连，所述比较器的输出端与所述死区时间控制电路相连。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：正弦波输入经运放放大后与三角波发生器产生的三角波信号经过比较器生成PWM信号。
进一步地，所述运算放大器的输入端与接地电源相连。
进一步地，所述功率放大器的输出端与外设匹配网络电路的输入端相连。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：配合匹配网络的使用，可使得与本发明功率放大器相连的外围设备的声源级SL可达到195dB，且带内平坦度在1.7dB内。
进一步地，所述匹配网络电路包括LC振荡电路，所述LC振荡电路包括电感和电容器，所述功率放大器的输出端与所述电感的输入端相连，所述电感的输出端与所述匹配网络电路的输出端相连，所述电感的输出端通过电容器接地。
进一步地，所述匹配网络电路的输出端与外设换能器相连。
请参照图1～3所示，本发明的实施例一为：一种宽频带、大功率水声D类功率放大器，所述功率放大器包括功率放大电路，所述功率放大电路包括PWM信号发生电路和PWM信号放大电路，所述PWM信号放大电路包括死区时间控制电路、上MOS管开关电路和下MOS管开关电路，所述死区时间控制电路的输出端与所述上MOS管开关电路的输入端相连，所述死区时间控制电路的输出端与所述下MOS管开关电路的输入端相连；所述上MOS管开关电路的输入端与一反相缓冲器相连；所述上MOS管开关电路与下MOS管开关电路并联后和所述功率放大器的输出端相连。所述PWM发生电路包括正弦波电路、运算放大器、三角波发生器和比较器，所述正弦波电路的输出端与所述运算放大器的输入端相连，所述运算放大器的输出端和三角波发生器的输出端均与所述比较器的输入端相连，所述比较器的输出端与所述死区时间控制电路相连。所述运算放大器的输入端与接地电源相连。所述功率放大器的输出端与外设匹配网络电路的输入端相连。所述匹配网络电路包括LC振荡电路，所述LC振荡电路包括电感和电容器，所述功率放大器的输出端与所述电感的输入端相连，所述电感的输出端与所述匹配网络电路的输出端相连，所述电感的输出端通过电容器接地。所述匹配网络电路的输出端与一换能器相连。
本实施例结构装置的工作原理如下：如图2所示，正弦波输入经运放放大后与三角波发生器产生的三角波信号经过比较器生成PWM信号，所述PWM经过死区时间控制电路的保护和MOS管开关电路的放大后输出，输出的信号配合匹配网络的使用，声源级SL可达到195dB，且带内平坦度在1.7dB内，如图3所示。对本申请D类功率放大器的输出信号失真度及效率进行测试，测得的结果如表1所示。
表1 测试数据表
从表1可以看出，本发明结构的D类功率放大器，其失真度在0.6％以下，效率在77％以上，具有效率高、失真度低等优点。
对本发明结构的功率放大器用于通信测试，测得的信号绘制成星座图，如图4所示。从图4中可以看出，本发明结构的功率放大器能够准确的判断出信号，失真度低。
本发明的实施例二为：一种宽频带、大功率水声D类功率放大器，所述功率放大器包括功率放大电路，所述功率放大电路包括PWM信号发生电路和PWM信号放大电路，所述PWM信号放大电路包括死区时间控制电路、上MOS管开关电路和下MOS管开关电路，所述死区时间控制电路的输出端与所述上MOS管开关电路的输入端相连，所述死区时间控制电路的输出端与所述下MOS管开关电路的输入端相连；所述上MOS管开关电路的输入端与一反相缓冲器相连；所述上MOS管开关电路与下MOS管开关电路并联后和所述功率放大器的输出端相连。所述PWM发生电路包括正弦波电路、运算放大器、三角波发生器和比较器，所述正弦波电路的输出端与所述运算放大器的输入端相连，所述运算放大器的输出端和三角波发生器的输出端均与所述比较器的输入端相连，所述比较器的输出端与所述死区时间控制电路相连。所述运算放大器的输入端与接地电源相连。所述功率放大器的输出端与外设匹配网络电路的输入端相连。所述匹配网络电路包括LC振荡电路，所述LC振荡电路包括电感和电容器，所述功率放大器的输出端与所述电感的输入端相连，所述电感的输出端与所述匹配网络电路的输出端相连，所述电感的输出端通过电容器接地。
综上所述，本发明提供的一种宽频带、大功率水声D类功率放大器，该放大器具有失真度低且效率高等优点。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种宽频带、大功率水声D类功率放大器，其特征在于：所述功率放大器包括功率放大电路，所述功率放大电路包括PWM信号发生电路和PWM信号放大电路，所述PWM信号放大电路包括死区时间控制电路、上MOS管开关电路和下MOS管开关电路，所述死区时间控制电路的输出端与所述上MOS管开关电路的输入端相连，所述死区时间控制电路的输出端与所述下MOS管开关电路的输入端相连；所述上MOS管开关电路的输入端与一反相缓冲器相连；所述上MOS管开关电路与下MOS管开关电路并联后和所述功率放大器的输出端相连。
2.根据权利要求1所述的宽频带、大功率水声D类功率放大器，其特征在于：所述PWM发生电路包括正弦波电路、运算放大器、三角波发生器和比较器，所述正弦波电路的输出端与所述运算放大器的输入端相连，所述运算放大器的输出端和三角波发生器的输出端均与所述比较器的输入端相连，所述比较器的输出端与所述死区时间控制电路相连。
3.根据权利要求2所述的宽频带、大功率水声D类功率放大器，其特征在于：所述运算放大器的输入端与接地电源相连。
4.根据权利要求1所述的宽频带、大功率水声D类功率放大器，其特征在于：所述功率放大器的输出端与外设匹配网络电路的输入端相连。
5.根据权利要求4所述的宽频带、大功率水声D类功率放大器，其特征在于：所述匹配网络电路包括LC振荡电路，所述LC振荡电路包括电感和电容器，所述功率放大器的输出端与所述电感的输入端相连，所述电感的输出端与所述匹配网络电路的输出端相连，所述电感的输出端通过电容器接地。
6.根据权利要求4所述的宽频带、大功率水声D类功率放大器，其特征在于：所述匹配网络电路的输出端与外设换能器相连。
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