[發(fā)明專利]壓電小型化寬帶功率放大器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910028347.6
• 申請(qǐng)日: 2009-01-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101499779A
• 公開(kāi)（公告）日: 2009-08-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 邱雷;袁慎芳;董晨華
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): H03F1/02
• 分類號(hào): H03F1/02;H03F3/20
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司
• 代理人: 魏學(xué)成

一、技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種功率放大器，尤其涉及一種用來(lái)驅(qū)動(dòng)壓電元件的具有高輸出功率和高輸出頻率的小型化寬帶功率放大器。

二、背景技術(shù)

壓電材料既能作為傳感元件，又能作為激勵(lì)元件，并且能夠組成復(fù)合材料，具有寬廣的應(yīng)用前景。因此由壓電材料制成的壓電式激勵(lì)器，如無(wú)損檢測(cè)中的超聲探頭，主動(dòng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的壓電激勵(lì)元件等，應(yīng)用前景廣闊。

在當(dāng)前的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中，超聲探頭的激勵(lì)設(shè)備通常都是可以發(fā)出大電壓窄脈沖的激勵(lì)信號(hào)。這樣做導(dǎo)致的結(jié)果是：超聲探頭在物體中激勵(lì)出超聲以后，接收到的傳感信號(hào)帶寬很寬，信號(hào)成分復(fù)雜，增加了信號(hào)處理的難度。這種能夠發(fā)出大電壓窄脈沖激勵(lì)信號(hào)的設(shè)備，它們通常不能根據(jù)用戶的需求任意輸出用戶設(shè)定的激勵(lì)信號(hào)，如高頻的正弦波、三角波、正弦調(diào)制信號(hào)等。如果激勵(lì)設(shè)備能跟根據(jù)用戶設(shè)定而發(fā)出特定波形的激勵(lì)信號(hào)，會(huì)給傳感信號(hào)的分析帶來(lái)極大的方便。

在當(dāng)前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究中，主動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)是一個(gè)研究熱點(diǎn)。這項(xiàng)技術(shù)的基本原理是：任意函數(shù)發(fā)生器輸出一個(gè)特定的信號(hào)(根據(jù)方法的不同，信號(hào)的頻率范圍在幾十KHz到接近1MHz)，利用寬帶功率放大器放大該信號(hào)，并輸入給布置在結(jié)構(gòu)上的壓電元件使其在結(jié)構(gòu)中激發(fā)超聲波，然后由布置在結(jié)構(gòu)上的壓電元件感應(yīng)超聲波信號(hào)并由電荷放大器放大，再由數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集傳感信號(hào)進(jìn)行后期處理，最終給出結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)評(píng)估。但是當(dāng)前基于主動(dòng)監(jiān)測(cè)方法的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)使用的功率放大器內(nèi)部電路復(fù)雜，體積非常大，不利于系統(tǒng)的集成和該技術(shù)的工程化應(yīng)用。

基于上述分析，要求有一種小體積的具有高輸出功率和高輸出頻率的功率放大器，能夠輸出幅度最大可達(dá)±100V，輸出電流達(dá)到800mA，帶寬上限可以達(dá)到1MHz，整體輸出功率可以達(dá)到50W～60W。這有助于推動(dòng)上述各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。本發(fā)明正是在這種背景下孕育而生的。

三、發(fā)明內(nèi)容

1、技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種驅(qū)動(dòng)壓電元件的體積小并且具有高輸出功率和高輸出頻率的功率放大器。

2、技術(shù)方案：為了解決上述的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明技術(shù)方案的功率放大器包括大功率直流穩(wěn)壓源模塊、高頻電壓放大模塊和高頻電流提升模塊，大功率直流穩(wěn)壓源模塊為高頻電壓放大模塊和高頻電流提升模塊提供電源，外界輸入的高頻(最高1MHz)、低電壓(幅度0V～±10V)、小電流(小于20mA)信號(hào)依次經(jīng)過(guò)高頻電壓放大模塊和高頻電流提升模塊后成為高頻(最高1MHz)、高電壓(最高±100V)、高電流信號(hào)(最高800mA)；其中，大功率直流穩(wěn)壓源模塊中，外界輸入的220V/110V交流電依次經(jīng)過(guò)輸入過(guò)壓電流保護(hù)模塊、變壓器模塊、整流濾波模塊轉(zhuǎn)換成為直流電源；高頻電壓放大模塊中，外界輸入的高頻、低電壓、小電流信號(hào)經(jīng)過(guò)放大倍數(shù)與輸出相位調(diào)節(jié)模塊的控制，由集成運(yùn)算功率放大器模塊轉(zhuǎn)換成為高頻(最高1MHz)、高電壓(最高±100V)、低電流信號(hào)(小于200mA)；高頻電流提升模塊中，高頻電壓放大模塊輸出的高頻、高電壓、低電流信號(hào)依次經(jīng)過(guò)交流耦合模塊、推挽輸出電流提升模塊、輸出限流模塊和輸出阻抗匹配模塊后轉(zhuǎn)換成為高頻、高電壓、高電流信號(hào)；大功率直流穩(wěn)壓源模塊為高頻電壓放大模塊中的集成運(yùn)算功率放大器模塊和高頻電流提升模塊中的推挽輸出電流提升模塊、偏置模塊供電。

其中，高頻電壓放大模塊對(duì)輸入的低電壓、低電流信號(hào)進(jìn)行固定倍數(shù)的電壓放大，可將電壓提升到接近電源大小；高頻電流提升模塊對(duì)高頻電壓放大模塊的輸出信號(hào)進(jìn)行電流提升放大；功率放大器輸出接近于電源功率的高功率信號(hào)(50W～60W)。由于高頻電壓放大模塊和高頻電流提升模塊具有良好的高頻特性，可以保證高頻信號(hào)不失真的放大。這樣最終保證了具有高功率和高頻率的信號(hào)的輸出。

大功率直流穩(wěn)壓源模塊中，220V/110V交流電通過(guò)變壓器升壓或降壓，再通過(guò)整流、濾波模塊輸出直流電源。在電源的輸出端與負(fù)載之間加入輸出過(guò)流報(bào)警模塊，它能起到保護(hù)大功率直流穩(wěn)壓源模塊和高頻電壓放大模塊的作用，并提示用戶功率放大器出現(xiàn)故障。在直流電源信號(hào)的輸出端也接入一個(gè)電源指示模塊，向用戶表明功率放大器的上電情況。