[发明专利]压电小型化宽带功率放大器

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种功率放大器，尤其涉及一种用来驱动压电元件的具有高输出功率和高输出频率的小型化宽带功率放大器。

二、背景技术

压电材料既能作为传感元件，又能作为激励元件，并且能够组成复合材料，具有宽广的应用前景。因此由压电材料制成的压电式激励器，如无损检测中的超声探头，主动结构健康监测中的压电激励元件等，应用前景广阔。

在当前的无损检测技术中，超声探头的激励设备通常都是可以发出大电压窄脉冲的激励信号。这样做导致的结果是：超声探头在物体中激励出超声以后，接收到的传感信号带宽很宽，信号成分复杂，增加了信号处理的难度。这种能够发出大电压窄脉冲激励信号的设备，它们通常不能根据用户的需求任意输出用户设定的激励信号，如高频的正弦波、三角波、正弦调制信号等。如果激励设备能跟根据用户设定而发出特定波形的激励信号，会给传感信号的分析带来极大的方便。

在当前结构健康监测技术的研究中，主动监测技术是一个研究热点。这项技术的基本原理是：任意函数发生器输出一个特定的信号(根据方法的不同，信号的频率范围在几十KHz到接近1MHz)，利用宽带功率放大器放大该信号，并输入给布置在结构上的压电元件使其在结构中激发超声波，然后由布置在结构上的压电元件感应超声波信号并由电荷放大器放大，再由数据采集设备采集传感信号进行后期处理，最终给出结构的损伤状态评估。但是当前基于主动监测方法的结构健康监测技术使用的功率放大器内部电路复杂，体积非常大，不利于系统的集成和该技术的工程化应用。

基于上述分析，要求有一种小体积的具有高输出功率和高输出频率的功率放大器，能够输出幅度最大可达±100V，输出电流达到800mA，带宽上限可以达到1MHz，整体输出功率可以达到50W～60W。这有助于推动上述各项技术的发展。本发明正是在这种背景下孕育而生的。

三、发明内容

1、技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种驱动压电元件的体积小并且具有高输出功率和高输出频率的功率放大器。

2、技术方案：为了解决上述的技术问题，本发明技术方案的功率放大器包括大功率直流稳压源模块、高频电压放大模块和高频电流提升模块，大功率直流稳压源模块为高频电压放大模块和高频电流提升模块提供电源，外界输入的高频(最高1MHz)、低电压(幅度0V～±10V)、小电流(小于20mA)信号依次经过高频电压放大模块和高频电流提升模块后成为高频(最高1MHz)、高电压(最高±100V)、高电流信号(最高800mA)；其中，大功率直流稳压源模块中，外界输入的220V/110V交流电依次经过输入过压电流保护模块、变压器模块、整流滤波模块转换成为直流电源；高频电压放大模块中，外界输入的高频、低电压、小电流信号经过放大倍数与输出相位调节模块的控制，由集成运算功率放大器模块转换成为高频(最高1MHz)、高电压(最高±100V)、低电流信号(小于200mA)；高频电流提升模块中，高频电压放大模块输出的高频、高电压、低电流信号依次经过交流耦合模块、推挽输出电流提升模块、输出限流模块和输出阻抗匹配模块后转换成为高频、高电压、高电流信号；大功率直流稳压源模块为高频电压放大模块中的集成运算功率放大器模块和高频电流提升模块中的推挽输出电流提升模块、偏置模块供电。

其中，高频电压放大模块对输入的低电压、低电流信号进行固定倍数的电压放大，可将电压提升到接近电源大小；高频电流提升模块对高频电压放大模块的输出信号进行电流提升放大；功率放大器输出接近于电源功率的高功率信号(50W～60W)。由于高频电压放大模块和高频电流提升模块具有良好的高频特性，可以保证高频信号不失真的放大。这样最终保证了具有高功率和高频率的信号的输出。

大功率直流稳压源模块中，220V/110V交流电通过变压器升压或降压，再通过整流、滤波模块输出直流电源。在电源的输出端与负载之间加入输出过流报警模块，它能起到保护大功率直流稳压源模块和高频电压放大模块的作用，并提示用户功率放大器出现故障。在直流电源信号的输出端也接入一个电源指示模块，向用户表明功率放大器的上电情况。