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超声波功率放大器设计

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楼主

第一张是平衡功率放大器的终极作品,当然我们还是要循序渐进的;先来个简单的呗,哈哈。
如上图,为本次设计实例样品。
    首先,我们介绍一下这个功放的架构。功放一共3级、增益小于46db(可调试实现,包括负反馈与π衰)、功放输出级采用平衡架构,第一级与第二级工作在A类、最后一级功率管工作在AB类的状态。
    再次,我们说说这个功放的器件选型。
    --->功放输出为200W=53dbm。
    --->前端电路输出为15dbm以下。
    --->所以,功放的Gain >= 38db。
    如果采用两级功率放大器,前一级的增益为20db,后一级的增益为18db实际上是有这种功率管的,但是光考虑增益不够我们还需要考虑输出功率。
    如果第一级的增益为20db就要求第一级的管子P1输出功率15+20=35dbm=3.162W(实际上很难做到100%的匹配传输,所以实际值会要大于这个值);很不幸这种管子很贵(高增益,大输出--你可以看看Analog的HMC1099要77美元,你可以看看)。
    怎么办呢?再加一级呗,加个10W功率输出16db左右增益的管子还是有很多的。
    作为超声应用的功率放大器,大多工作在50MHz以下;这个频段的管子其实比较尴尬,不是很多,推荐朋友们看看三菱半导体的RD系列和摩托罗拉的MRF系列。还有一种方法就是采用VHF的管子(一般175MHz),采用功率回退的方法设计;功率回退有一部分原因是管子工作状态不佳你不得不“欠考虑”,当然大多数原因是要好的增益线性度和输出功率的稳定性。
    这次用了下手里头有的--->ployFET-SQ701:增益最小10db、推挽输出功率45W,好吧,我承认有点豪气 :) 。
    实际上SQ701是推挽结构的管子,此处我并不需要他输出45W的功率,5W左右就足够了;为了避免调试带来不必要的麻烦(需考虑平衡的问题和阻抗匹配)只用一个管子作为第二级输出。
    回头来说说第一级,作为功放的第一级输入MMIC是个不错的选择;不需要太麻烦的做输入端的匹配直接接入50欧姆(我喜欢,哈哈哈)。我选了HMC475,当然还有很多选择我不会纠结于这些参数(因为我设计的时候留了很大的余量)。
    最后一级采用AB类,即使会使得调试变得麻烦。如果用A类功放,就算效率50%那么200W的输出功率就必须提供400W以上的电源,而且散热是个很大的问题,所以兄弟们不要任性--虽然我知道你能做出来。
    VRF151G--1500RMB一个;我的娘,血本啊。
    调试的时候我们需要一级一级的接入,每一级都是先设置好静态工作点,量出每一级的输出输入阻抗,做好阻抗匹配,进入下一级调试的步骤进行,切不可贪功。
    神马,那些磁环怎么选?
    上Fair-Rite官网找,偷偷告诉你选43号材料。
    神马,磁环的作用?
    1、巴伦。
    2、馈电。
    3、阻抗匹配。
    神马,不详细?
    有什么问题,下方留言板。
    哦,对了,为了方便朋友们琢磨;我把上图的编号做个解释:
    1、π衰
    2、HMC475
    3、SQ701
    4、balun
    5、VRF151G、馈电线圈
    6、balun
神马,原理图?
你要就给你咯:

What,PCB?
要定制功放(200KHz~123MHz---A类、AB类---200W及以下),联系老板:
https://shop356767810.taobao.com/?spm=a230r.7195193.1997079397.37.nlE0mK

IMG_20160527_182721.jpg (554.22 KB )

平衡功率放大器

平衡功率放大器

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沙发
戈卫东| | 2017-3-30 22:55 | 只看该作者
虽然不懂,但是感觉很厉害的样子

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板凳
steelen| | 2017-3-31 11:21 | 只看该作者
可以试试戊类功放
你这个功放效率有点低
戊类能做到90%以上

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地板
yanwenbin33|  楼主 | 2017-3-31 11:45 | 只看该作者
steelen 发表于 2017-3-31 11:21
可以试试戊类功放
你这个功放效率有点低
戊类能做到90%以上

嗯嗯,戊类确实效率高。
实际上在超声应用场景里对于波形还是有要求的,如果波形不好有部分能量会在换能器端产生热;然后换能器的谐振频率会产生漂移。
所以,一般采用A类或者AB类去做。

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5
steelen| | 2017-3-31 12:40 | 只看该作者
戊类可以做电台功放,波形没有问题的

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6
yanwenbin33|  楼主 | 2017-3-31 20:42 | 只看该作者
steelen 发表于 2017-3-31 12:40
戊类可以做电台功放,波形没有问题的

好,找个时间琢磨琢磨。

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7
jz0095| | 2017-4-1 08:27 | 只看该作者
本帖最后由 jz0095 于 2017-4-1 08:34 编辑
king5555 发表于 2017-3-31 23:49
沒看到低通滤波,是不需要抑制谐波,还是超音波发射头本身就是谐波量低。 ...

平衡式电路自有抑制偶次谐波的功能,波形比非平衡的要好。看来这个电路对波形的要求不高。

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8
jz0095| | 2017-4-1 08:29 | 只看该作者
本帖最后由 jz0095 于 2017-4-1 08:32 编辑
yanwenbin33 发表于 2017-3-31 20:42
好,找个时间琢磨琢磨。

钻研精神可嘉。
估计是窄带应用。使用滤波器改善波形可以大大提高功放电路的效率。
建议楼主改进原理图的画法:底色用浅色。否则看起来吃力。

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9
Lgz2006| | 2017-4-1 08:46 | 只看该作者
做为商品级设计,与其重新探讨新的工作类型,不如参考成熟产品。
显然各网友对功率超声电路的熟知程度远不及楼主,咱也不多说,别耽误事啦。

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10
jz0095| | 2017-4-1 12:26 | 只看该作者
king5555 发表于 2017-4-1 09:23
开关电源是奇次谐波的危害最大,那么本电路自有抑制偶次谐波大约多少量。 ...

IC平衡电路在几百兆对偶次谐波的抑制可以到25dB上下,功放能有10dB就不错了,视对称度和频率而定,频率低的(例如几十兆)容易对称。

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11
yanwenbin33|  楼主 | 2017-4-1 14:11 | 只看该作者
Lgz2006 发表于 2017-4-1 08:46
做为商品级设计,与其重新探讨新的工作类型,不如参考成熟产品。
显然各网友对功率超声电路的熟知程度远不 ...

前辈谬赞。

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12
yanwenbin33|  楼主 | 2017-4-1 14:12 | 只看该作者
jz0095 发表于 2017-4-1 08:29
钻研精神可嘉。
估计是窄带应用。使用滤波器改善波形可以大大提高功放电路的效率。
建议楼主改进原理图的 ...

实际上这个功放是宽带的。
1、功放设计采用了平衡架构
2、各级平衡架构采用了负反馈
3、级间的匹配用的是传输线变压器,可以保证在低频和高频端的稳定性和一致性。

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13
yanwenbin33|  楼主 | 2017-4-1 14:16 | 只看该作者
king5555 发表于 2017-3-31 23:49
沒看到低通滤波,是不需要抑制谐波,还是超音波发射头本身就是谐波量低。 ...

超声波换能器本身是一个带通滤波器,而实际上输入信号本身就是正弦信号;而对于功放带来的谐波,其实超声波换能器并没有精准到那个程度。超声波换能器的误差在20%内都认为是合理的,所以。。。。。

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14
yanwenbin33|  楼主 | 2017-4-1 14:20 | 只看该作者
king5555 发表于 2017-4-1 09:23
开关电源是奇次谐波的危害最大,那么本电路自有抑制偶次谐波大约多少量。 ...

这个电路对于谐波分量的抑制还只能靠LC阻塞网络,而定量分析还没有做过。

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15
jz0095| | 2017-4-1 16:40 | 只看该作者
本帖最后由 jz0095 于 2017-4-1 17:00 编辑
yanwenbin33 发表于 2017-4-1 14:12
实际上这个功放是宽带的。
1、功放设计采用了平衡架构
2、各级平衡架构采用了负反馈

信号源,即输入信号,是窄带的吧?因此你的应用是窄带的。这种平衡电路在没有针对措施下一般都是宽带的。
输出的谐波包括两部分的贡献:信号源的谐波(被放大)、功放非线性的谐波。
保证信号源低谐波容易,加小功率滤波器就可以了。

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16
piliming| | 2017-4-5 09:41 | 只看该作者
楼主,先进院影像所的?
能否加我个QQ:2394206096,目前也在做高频功率这块,不是超声,希望能交流下!

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17
yanwenbin33|  楼主 | 2017-4-5 19:43 | 只看该作者
piliming 发表于 2017-4-5 09:41
楼主,先进院影像所的?
能否加我个QQ:2394206096,目前也在做高频功率这块,不是超声,希望 ...

QQ:610214851

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18
steelen| | 2017-4-6 16:42 | 只看该作者
戊类功放效率高
2M的200w戊类,效率能到95%

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19
一直填填| | 2017-10-9 15:54 | 只看该作者
楼主,有这个的原理图吗?我最近在做这个超声波

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20
steelen| | 2017-10-10 13:53 | 只看该作者
30M以下频率都可以做出丁类或者戊类甚至F类的
效率90%以上

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