5 功率放大器設(shè)計(jì)
超聲發(fā)生器的功率放大電路除了要具有一般放大器中的整流、振蕩、放大和保護(hù)等通用電路外，還應(yīng)有一些特殊的電路，如頻率自動(dòng)跟蹤、匹配、功率自動(dòng)控制、振動(dòng)系統(tǒng)振幅控制等電路。這些電路是發(fā)生器負(fù)載(即換能器)的特殊性質(zhì)所要求的。通常發(fā)生器有一個(gè)最佳負(fù)載值(有時(shí)亦稱為輸出阻抗)，只有當(dāng)實(shí)際負(fù)載等于此值時(shí)，發(fā)生器才能工作于設(shè)計(jì)狀態(tài)，并向負(fù)載提供額定的輸出。否則就需要通過(guò)輸出變壓器作阻抗變換。除此之外，還必須進(jìn)行調(diào)諧，因?yàn)閾Q能器為一有抗負(fù)載，因此，直接聯(lián)接到發(fā)生器上會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的無(wú)功損耗，這不僅會(huì)使效率降低，而且會(huì)影響到發(fā)生器的安全使用。因而需要有一個(gè)電抗相反的元件來(lái)“抵消”換能器中電抗分量的影響，這就是所謂的調(diào)諧。在此功放中，比較重要的就是匹配，由于壓電換能器有靜電容，而且磁致伸縮換能器有靜電感，因此，在換能器諧振狀態(tài)時(shí)，換能器上的電壓與電流間存在著一相位角φ，其輸出功率P=cosφ。由于φ的存在，輸出功率達(dá)不到最大值。只有當(dāng)φ=0時(shí)，輸出功率才可達(dá)最大值。因此，為了使換能器上電壓VRL與電流同相(φ=0)，就必須在換能器上并聯(lián)或串聯(lián)一個(gè)相抵消的阻抗。對(duì)于壓電換能器而言，即并聯(lián)或串聯(lián)一個(gè)電感即可，而磁致伸縮換能器則應(yīng)并聯(lián)或串聯(lián)一個(gè)電容。
對(duì)于超聲波的功率放大部分，本文做了一些測(cè)量和計(jì)算，實(shí)際電路的設(shè)計(jì)為三級(jí)放大。圖5所示是其前級(jí)電路，其中采用場(chǎng)效應(yīng)管作為第一級(jí)前端放大，其后使用射集放大電流。每個(gè)放大在輸出端都加入了射集輸出電路以此來(lái)降低輸出阻抗，從而達(dá)到放大電流的效果。中間級(jí)三極管放大電路如圖6所示，其輸入和輸出都有電容濾波，并在輸出端加入射集跟隨器，以降低輸出阻抗。末級(jí)三極管放大電路采用東芝公司的2SC3281功率三極管，其電路如圖7所示。