用于中频声纳发射机的D类功放的优化设计与实现

摘要

在现代海洋开发和海洋战争中，声纳设备起到了举足轻重的地位。随着海洋技术的不断发展，对声纳设备的要求也越来越高。声纳发射机一般由电源单元、信号源、和功率放大器（以下简称功放）组成。在声纳发射机中，传统的功放一般是将信号源模块处理之后的数字信号进行放大，然后通过输出电路还原为模拟信号。例如，对应于D类功放，信号源会使用FPGA或DSP技术进行软件编程，将原始信号转换成PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）信号，而功放则会将PWM信号进行放大。
　　本文设计的用于声纳发射机中的功放免去了前级专门的信号处理单元，可以直接处理原始的模拟信号，进行功率放大。此外，本文提出了一种运用双路运放对正、反两路信号进行单独调制的PWM信号产生方案。该种设计使得在不降低PWM载波频率的情况下，功率晶体管的开关频率可以降低为原来的一半，进而降低功率晶体管的功耗，提高系统效率。另外，本文运用驱动芯片IR2110设计了一种简单而高效的驱动电路，死区时间为13ns，在不增加输出信号失真度的情况下解决了全桥电路出现直通现象的风险。最后，本文通过MATLAB仿真、实际调试以及不断改进器件参数，设计了一种能在功放和水声换能器之间获得较好的匹配的输出电路。
　　本文设计的功放可以对0～±3.3V的正弦信号进行连续地功率放大，具有最高效率89.6％、最大输出功率389W、良好的线性度等特性，和水声换能器进行了良好的匹配，并且具有完善的保护功能，包括过压保护、过流保护、过温保护和脉宽保护，满足了设计指标要求。

目录

摘要

第一章 引言

1．1 概述

1．2 课题研究背景和意义

1．3 论文的主要工作

1．4 论文结构安排

第二章 功放基本技术

2．1 功放的发展现状

2．2 功放的基本结构

2．3 功放的分类

2．3．1 传统型功放

2．3．2 开关型功放

2．3．3 各类功放的比较

2．4 D类功放基本原理

2．4．1 信号调制技术

2．4．2 软开关技术

2．4．3 负反馈技术

2．4．4 D类功放参数

2．4．5 系统指标和要求

2．5 本章小结

第三章 D类功放设计方案

3．1 PWM设计方案

3．2 功率放大设计方案

3．3 驱动电路设计方案

3．3．1 驱动方式

3．3．2 全桥驱动方案

3．4 输出匹配设计方案

3．4．1窄带信号匹配

3．4．2 宽带匹配

3．5 本章小结

第四章 D类功放电路设计

4．1 PWM模块

4．1．1 PWM电路设计

4．1．2 测试波形

4．2 驱动电路模块

4．2．1 驱动电路设计

4．2．2 悬浮自举电路分析

4．2．3 死区时间分析

4．2．4 测试波形

4．3 全桥电路设计

4．4 输出匹配模块

4．4．1 输出匹配电路设计

4．4．2 MATLAB仿真与测试波形

4．5 降压自检电路设计

4．6 保护电路设计

4．6．1 过压保护电路

4．6．2 过流保护电路

4．6．3 过温保护电路

4．6．4 脉宽保护电路

4．7 电压转换电路设计

4．8 本章小结

第五章 D类功放PCB设计

5．1 PCB规则

5．2 PCB各层布局与走线

5．3 本章小结

第六章 系统测试与分析

6．1 线性度检测

6．2 带宽性能检测

6．3 输出性能测试

6．3．1 效率分析

6．3．2 电路板效率测试

6．4 保护功能测试与分析

6．4．1 过压保护

6．4．2 过流保护

6．4．3 过温保护

6．4．4 脉宽保护

6．4．5 功放保护时间

6．5 THD测试与分析

6．6 电压增益测量

6．7 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录

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