一种通用线性功率放大器

焦海波 费腾

（第七一五研究所，杭州，310023）

为了能够真实地获得单个换能器、换能器基阵以及其它水声设备实际工作状态下的声学性能参数，需要建立相应的测试系统，功率放大器是一种大信号放大器，和小信号放大器相比，大信号放大器在信号处理过程中可应用在范围较广的负载，是换能器向水中发射声波的重要组成设备。按功放中功率管的导通方式不同，功率放大器可分为四类（A类、B类、AB类和D类），其中A类功率放大器效率非常低，通常只有20%～30%；B类功率放大器效率较高，但在低电平时，会产生跨越失真；AB类功率放大器效率介于A类B类功率放大器之间，但会产生交越失真；D类功率放大器效率极高，理论值可以达到 100%，但输出信号失真较大，带载能力较低。通过对4类功率放大器特性的对比，就效率比以及失真而言，本文选用了AB类功率放大器，通过多次调试和实验，设计出一款AB类通用线性功率放大器，并经过实际应用，取得较满意的效果。

1 电路设计结构

线性功率放大器电路采用模块化的设计思路，各模块电路相互独立，电路结构设计简单巧妙、可靠稳定。线性功率放大器电路主要由前级放大电路、功率放大电路、逻辑保护电路、阻抗变换电路和电源电路五部分组成（如图1）。

图1 线性功率放大器电路原理示意图

1.1 前级放大电路

前级放大电路主要是利用运算放大器对信号进行放大，输入信号的电压电流两级放大后驱动功率放大电路。为了防止信号电压过大造成对运算放大器及后续电路的损坏，在其前端加入稳压二极管将信号钳制在允许的电压范围。AB类放大器的输出效率较高，应用三极管的特性组成AB类推挽式放大器[1]网络（如图2）对输入信号的电压电流进行放大后来驱动功率放大器电路。

图2 前级放大电路原理示意图

图2中前级运算放大电路以闭环的电路结构连接成的正相放大器，输出电压增益的大小由公式（1）可计算出。

式中，Acl表示输出电压增益，R7表示反馈电阻，R6表示输入电阻。

功率放大器设计频率宽度为100 Hz ～ 60 kHz，为防止输入信号超出频带宽度而造成的功放磁性器件损坏，我们在OP电路的前级也加入RC带通滤波器，电路中fc的值由公式（2）可得出。

式中，R=R29，C=C18=C19。

电压放大采用复合管放大方式，高倍率的电压放大为功率放大器电路提供足够的驱动电压。电流放大采用两级放大，先是一对中功率三极管V4与V9，然后是一对大功率三极管V5与V10放大。

1.2 功率放大电路

线性功率放大器作为一个水声专用的仪器，其工作频率范围100 Hz ～ 60 kHz，输出连续功率1 000 W。功率放大器电路电流放大级是达林顿连接，采用并联推挽发射极跟随器[2]的设计如图3、图4，通过参数配对，选用性能一致的NPN和PNP型晶体管在同一块电路板上。正电压时与 NPN型晶体管互补进行工作，负电压时与PNP型晶体管互补进行工作，NPN与PNP晶体管在各自的相反周期内导通工作，以达到小电流控制大电流的效果。

采用并联推挽电路连接时，可使每个功率晶体管的输出电流降低，同时每个晶体管的发热量也随之大幅度减少，使电路变得更稳定，通过在每个功率晶体管连接一定阻值的基极电阻、发射极电阻，可防止功率晶体管因电流不平衡及电流集中等因素而发生损坏。在NPN、PNP放大电路中都有输出短路保护电路，当电流输出时，加在功率晶体管发射极的过流检测电阻产生压降，使得图3、图4中晶体管V201、V301的基极电位上升，达到0.6 V时，晶体管V201与V301导通，由此防止功率管V202与V302输出过大电流而损坏。

图3 NPN放大电路

图4 PNP放大电路

1.3 保护逻辑电路

线性功率放大器是一种大电流、高电压，输出功率大的放大器，所以保护逻辑电路[3]设计了多种保护电路来获得功率放大器的工作状态。偏置、过热、过压过流保护电路通过比较基准电压，当其中一点电压偏离基准电压时，就会给保护逻辑电路（如图5）一个高低电平，相应保护逻辑电路就会断开功率放大器的功率输出和功放的主电源（图1中的继电器 K2B、K3B），并发出声光报警直到故障消失。

图5 保护逻辑电路

1.3.1 偏置保护电路

直流偏置是在功率放大电路中有器件损坏，导致输出电压中产生直流偏置电压。功率放大器直流偏置电压会对输出变压器和负载造成损害。如果功放输出直流偏置电压大于0.7 V，直流偏置电路（如图6）开始工作并输出相应的电平信号。

图6 直流偏置取样电路

1.3.2 过热保护电路

功率器件工作时内部会产生热量，设计时需安装散热器以及冷却风扇，尽可能的将功率晶体管的温度降到环境工作温度。在功率器件的散热器上安装负温度系数传感器，当散热器的温度大于设定温度时，控制电路就会断开功率输出以及短接压降电阻使风扇高速转动，加速热量排放直到温度降到设定值以下，同时给出过热报警指示。

1.3.3 过压过流保护电路

使用运算放大器来做比较器，用来比较不同信号电压的幅度。电源电压保护电路通过比较器设定固定的参考电压如图7中的10脚、13脚，主电源正负电压通过R47、R48、R50、R51电阻分压，如果分压后的电压超出参考电压，比较器电路输出电平信号给下级电路做判断。

图7 电源电压取样电路

电源电流取样电路（如图8），正负电源电流流过电阻R6、R7后产生压降，经过三极管V1、V2、V3、V4输出一个实时的电压信号Ui+、Ui-，如果电压信号Ui+、Ui-的电压超出参考电压，比较器电路输出电平信号给下级电路进行判断。

1.4 阻抗变换电路

阻抗变换电路是影响功率放大器带宽及效率的主要因素。阻抗变换电路主要由定制的铁芯和漆包线通过特殊方法绕制，在此不详述。

1.5 电源电路

电源电路采用常用的线性电源，通过变压器将市电降压并经桥式全波整流器后得到主电源和副电源，在此不详述。

2 测试结果

2.1 主要参数

根据现有的设计能力，确定线性功率放大器的主要技术指标：最大连续输出功率，不小于 1 kW（匹配电阻型负载）；最大脉冲输出功率，不小于2 kW（1 s周期，10%占空比）；输出阻抗，分 13 Ω、31 Ω、63 Ω、125 Ω、250 Ω、500 Ω、1 000 Ω、2 000 Ω共八档；频率范围，100 Hz～50 kHz(-3 dB)；输入阻抗，≥10 kΩ；满功率输入信号：1 Vrms；失真度≤1%(连续方式，匹配负载)；输出具有 10 mV/V电压和100 mV/A电流输出监视接口。

2.2 测试结果

2.2.1 连续功率

用信号源给功率放大器输入连续信号1 Vrms，增益旋钮调节至最大，输出选择连续阻抗125 Ω，并连接一个2 000 W/125 Ω的功率电阻，在100 Hz ～50 kHz频率范围内依次测试出各个频率点的输出电压、电流及功率值，如表1所示。

表1 连续功率各项输出值

2.2.2 脉冲功率

用信号源给功率放大器输入脉冲信号（1 s周期，10%占空比）1 Vrms，其它条件同2.2.1节，依次测试出各个频率点的输出电压、电流及功率值，如表2。

2.2.3 连续功率失真度

用信号源给功率放大器输入连续信号 100 m Vrms，其它条件同同 2.2.1节，依次测试出各个频率点失真度值见表3。

表2 脉冲功率各项输出值

表3 连续功率失真度值

表1～表3测试数据表明该通用线性功率放大器的功率及带宽完全满足设计指标要求。

3 结论

本文设计的通用线性功率放大器，是为水声测量及科研开发的专用线性功率放大器，也可作为超声换能器及其它非阻性材料的大功率激励信号源使用。该型功率放大器可靠性高，是一种体积小、功率大、低失真、使用维修方便的大功率通用线性功率放大器，已用于水声测试系统和工程应用等多种场合，性能优异。