本发明涉及超声导波信号处理领域，具体涉及一种超声导波宽带线性功率放大装置。
背景技术：
：超声导波由于其沿波导传播衰减小，传播距离远，可快速检测全结构，因而被广泛应用于工业无损检测中。线性功率放大器常被用作超声导波的激励发射源，这主要是由于超声导波具有频散和多模态等特性，因此在实际检测中，发射源信号多选用窗调制多周期正弦波。目前，国内外研制的超声用功率放大器有线性放大和脉冲发射两种，脉冲发射功放因其非线性故不适用于超声导波的激励检测；线性超声功放多采用美国apex公司的pa85等高压运放搭建，主要缺点是供电要用正负高压(-100v/ 100v或者更高)大功率直流电源，比较难以实现；且pa85等高压运放在输出高电压(峰峰值为200v)波形时受限于其压摆率，因而在高频时(500khz)其输出波形往往会严重失真。在超声导波用功放方面，国内部分学者曾研制的超声导波线性功放采用mos管搭建主功放电路，输出端搭配巴伦以实现平衡-不平衡结构转换，这种结构电路需要谨慎设置mos管的静态工作点以免将其损坏，而且巴伦需要特制以现实上下级电路节点间的阻抗匹配，供电电压也较高(通常需要50v或者更高)，以致电路调试困难；同时这种结构功放均为ab类功放，效率为40％-60％，多工作在间歇式发射状态以降低功耗和发热，若工作在连续发射状态时其发热量巨大，长时间工作会损坏电路。目前，国内还有agitek品牌功率放大器，如ata-4014高压功率放大器(最大输出电压的峰峰值为160v，dc-1mhz)，美国ritec公司的rpr4000等高压功放，以及法国的hva高压线性放大器，但这些仪器普遍存在体积大，价格高等问题，且均未见有文献报道这些仪器的实现原理。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种超声导波宽带线性功率放大装置，能够实现低电压激励信号的平坦线性功率放大，并且供电电源电压低、调试简单、发热量低、能扩容输出。为了解决上述技术问题，以下提供了一种超声导波宽带线性功率放大装置，包括：前置差分放大电路，用于将单端信号转换为双路伪差分信号，且所述前置差分放大电路的输入端用于接收待放大的超声导波信号；主功率放大电路，连接到所述前置差分放大电路的输出端；其中，主功率放大电路包括：多个低压功放单元，均连接到所述前置差分放大电路的输出端，用于放大自所述前置差分放大电路的输出端的信号；变压器组，包括多个变压器，且每一低压功放单元的一输出端对应耦合至一变压器的原边的两个输入端之一，各个变压器的副边依次串联，以输出线性放大信号。优选地，所述前置差分放大电路包括第一低压运放电路和第二低压运放电路，且所述第一低压运放电路的输出端用于输出第一信号，所述第二低压运放电路的输出端用于输出第二信号，所述第一信号以及所述第二信号反相，为所述超声导波信号的双路伪差分放大信号。优选地，所述第一低压运放电路包括：第一运算放大器，所述第一运算放大器的负输入端通过第一电阻连接到所述运算放大器的输出端，所述第一运算放大器的输出端还依次通过第一电容和第二电阻连接到地；第三电阻，连接至所述前置差分放大电路的输入端，并连接至所述第一运算放大器的正输入端；所述第一低压运放电路的输出端设置于所述第一电容和第二电阻之间。所述第二低压运放电路包括：第二运算放大器，所述第二运算放大器的负输入端通过第四电阻连接到所述运算放大器的输出端，所述第二运算放大器的输出端还依次通过第二电容和第五电阻连接到地；第六电阻，连接至所述前置差分放大电路的输入端，并连接至所述第二运算放大器的正输入端；所述第二低压运放电路的输出端设置于所述第二电容和第五电阻之间。优选地，所述前置差分放大电路还包括输入端保护电路，所述输入端保护电路通过第三电阻连接至第一低压运放电路的输入端，限制流入所述第一低压运放电路和第二低压运放电路的电流。优选地，所述输入端保护电路包括：第一肖特基二极管组，通过第三电阻连接至第一低压运放电路的正输入端，且包括依次连接的多个第一肖特基二极管，其中，所述第一肖特基二极管均使用负极通过第三电阻连接至第一低压运放电路的正输入端，且均使用正极连接至地；第二肖特基二极管组，通过第三电阻连接至第一低压运放电路的正输入端，且包括依次连接的多个第二肖特基二极管，其中，所述第二肖特基二极管均使用正极通过第三电阻连接至第一低压运放电路的正输入端，且均使用负极连接至地。优选地，所述低压功放单元包括第一主功率放大电路和第二主功率放大电路，且所述第一主功率放大电路和第二主功率放大电路的输入端分别连接到所述第一信号和第二信号，以分别对所述第一信号和第二信号进行放大，所述第一主功率放大电路和第二主功率放大电路的输出端分别连接到所述变压器的原边的同名端和异名端。优选地，所述第一主功率放大电路包括第三运算放大器，所述第三运算放大器的正输入端通过第十四电阻连接到所述第一信号，所述第三运算放大器的负输入端依次通过第七电阻和第三电容连接至所述第一信号的参考地，所述第三运算放大器的负输入端还通过第八电阻连接至所述第三运算放大器的输出端；所述第二主功率放大电路包括第四运算放大器，所述第四运算放大器的正输入端通过第十二电阻连接到所述第二信号，所述第四运算放大器的负输入端依次通过第十三电阻和所述第三电容连接至所述第二信号的参考地，所述第四运算放大器的负输入端还通过第十一电阻连接至所述第四运算放大器的输出端。优选地，所述第一主功率放大电路还包括：依次连接到所述第三运算放大器的输出端的第九电阻和第四电容；连接到所述第三运算放大器的负电源的第一钳位二极管以及连接到所述第三运算放大器的正电源的第二钳位二极管。所述第二主功率放大电路还包括：依次连接到所述第四运算放大器的输出端的第十电阻以及第五电容；连接到所述第四运算放大器的负电源的第三钳位二极管，以及连接到所述第四运算放大器的正电源的第四钳位二极管。优选地，所述变压器包括宽带线性变压器。本发明的超声导波宽带线性功率放大装置采用多路低压功放单元的输出端耦合至变压器的原边、变压器的副边串联输出的方式实现低电压激励信号的平坦线性功率放大。进一步的，所述变压器为宽带线性变压器，因此能够在较高的带宽范围内(50khz-1.6mhz)实现低电压激励信号的平坦线性功率放大。并且，所述超声导波宽带线性功率放大装置能够串联使用和并联使用，从而进行扩容输出。所述超声导波宽带线性功率放大装置具有供电电源电压低(-12v/ 12v)，发热量小，调试简单的优势，克服了现有技术中针对超声导波类线性功率放大器多采用正负高压电源供电、用mos管和巴伦等分立元件搭建，常常会导致调试困难且大多静态功耗较大以及不容易进行串并联扩容输出等问题。所述超声导波宽带线性功率放大装置还能根据需要进行串并联扩容输出等优势。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域或普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图(实施例)。图1为本发明的第一实施方式中超声导波宽带线性功率放大装置的结构示意图。图2为本发明的第一实施方式第一实施例中前置差分放大电路的结构示意图。图3为本发明的第一实施方式第一实施例中的主功率放大电路的结构示意图。图4为本发明的第一实施方式第一实施例中对超声导波宽带线性功率放大装置进行测试时的测试框图。图5a至图5b为本发明的第一实施方式第一实施例中对超声导波宽带线性功率放大装置进行测试时典型频率下的功放信号的波形图。图6为本发明的第一实施方式第一实施例中对超声导波宽带线性功率放大装置进行测试时所述超声导波宽带线性功率放大装置的输出噪声的波形图。图7为本发明的第一实施方式第一实施例中对超声导波宽带线性功率放大装置进行测试时所述超声导波宽带线性功率放大装置的通频带增益曲线示意图。图8为本发明的第一实施方式第一实施例中对超声导波宽带线性功率放大装置进行测试时所述超声导波宽带线性功率放大装置输出的单音频激励信号的波形图。图9a和图9b为本发明的第一实施方式第一实施例中对超声导波宽带线性功率放大装置进行测试时两个所述超声导波宽带线性功率放大装置并联时的测试结果的波形图。图10为本发明的第一实施方式第一实施例的具体示例的前置差分放大电路的结构示意图。图11为本发明的第一实施方式第一实施例的具体示例的单级低压功放单元的结构示意图。图12a至图12d为本发明的第二实施方式中多个超声导波宽带线性功率放大装置相连接时的示意图。具体实施方式以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种超声导波宽带线性功率放大装置作进一步详细说明。[第一实施方式]请参阅图1，为本发明的第一实施方式中超声导波宽带线性功率放大装置的结构示意图。在图1所示的具体实施方式中，提供了一种超声导波宽带线性功率放大装置100，包括：前置差分放大电路101，用于将单端信号转换为双路伪差分信号，且所述前置差分放大电路101的输入端用于接收待放大的超声导波信号；主功率放大电路102，连接到前置差分放大电路101的输出端；变压器组103，连接到主功率放大电路102。[第一实施方式的第一实施例]下面将参照图2至图11详细描述根据本发明的第一实施方式的第一实施例。[根据第一实施方式的第一实施例的前置差分放大电路]根据本发明的第一实施例，前置差分放大电路101包括第一低压运放电路和第二低压运放电路，且所述第一低压运放电路的输出端用于输出第一信号，所述第二低压运放电路的输出端用于输出第二信号，所述第一信号以及所述第二信号反相，组成双路伪差分放大信号，为所述超声导波功率信号的信号源，所述低压指的是﹣12v～ 12v范围内。根据本发明的第一实施例，使用低压前置差分放大电路101能够最大程度减小由前置差分放大电路101中的开关电源引起的共模噪声。此外，为进一步抑制开关电源噪声，所述超声导波宽带线性功率放大装置的供电电源为普通正负双路低压开关电源，放大装置的正负供电输入端设置有多级lc滤波，并串联有大电流磁珠，以消除供电电源的尖峰噪声，平滑电源信号的纹波。所述前置差分放大电路的输入端连接至要进行放大的超声导波信号，并将要进行放大的导波低功率激励信号转换为双端伪差分信号。所述前置差分放大电路包括第一低压运放电路和第二低压运放电路，且所述第一低压运放电路的输出端用于输出第一信号，所述第二低压运放电路的输出端用于输出第二信号。所述第一信号以及所述第二信号反相，组成双路伪差分放大信号，为所述超声导波功率信号的信号源，以便所述低压功放单元以全差分方式对输入波形进行差分功率放大，抑制供电电源的开关噪声，实现对超声导波激励信号的低失真线性功率放大。所述前置差分放大电路的输入端可最大接收峰峰值为2v的任意波信号，并进行放大，如图2所示。在图2中，还包括超声发送/接收开关(ultrasoundt/rswitchics)md1，作用为限制输入端的过电压，使输入过电压可以在-100v～ 100v之内而不损坏后面的器件。更具体地，第一低压运放和第二低压运放均为低输入偏置电流运放，并为高压摆率类型，以降低前置差分放大电路的输出偏置电压，并保证输出的两路伪差分放大信号的带宽。所述第一低压运放电路包括：第一运算放大器u1a，第一运算放大器u1a的负输入端通过第一电阻r1连接到第一运算放大器u1a的输出端，第一运算放大器u1a的输出端还依次通过第一电容c1和第二电阻r2连接到地；第三电阻r3，连接至所述前置差分放大电路的输入端，并连接至第一运算放大器u1a的正输入端；第一低压运放电路的输出端设置于第一电容c1和第二电阻r2之间；第二低压运放电路包括：第二运算放大器u1b，第二运算放大器u1b的负输入端通过第四电阻r4连接到第二运算放大器u1b的输出端，第二运算放大器u1b的输出端还依次通过第二电容c2和第五电阻r5连接到地；第六电阻r6，连接至所述前置差分放大电路的输入端，并连接至第二运算放大器u1b的正输入端；第二低压运放电路的输出端设置于第二电容c2和第五电阻r5之间。所述第一运算放大器u1a以及第二运算放大器u1b均为低压运放，且选择低输入偏置电流和和高压摆率类型，以降低前置差分放大电路的输出偏置电压，并保证差分放大信号的带宽。此外，所述前置差分放大电路还包括输入端保护电路，所述输入端保护电路通过第三电阻连接至第一低压运放电路的输入端，防止流入所述第一低压运放电路的过电压损坏所述运算放大器。这里可以参阅图2。实际上，所述输入端保护电路也可设置于第一低压运放电路、第二低压运放电路与所述前置差分放大电路的输入端之间，限制流入第一低压运放电路和第二低压运放电路的电流。具体地，输入端保护电路包括：第一肖特基二极管组，通过第三电阻连接至第一低压运放电路的输入端，且包括依次连接的多个第一肖特基二极管，其中，所述第一肖特基二极管均使用负极通过第三电阻连接至第一低压运放电路的正输入端，且均使用正极连接至地；第二肖特基二极管组，连接至通过第三电阻连接至第一低压运放电路的输入端，且包括依次连接的多个第二肖特基二极管，其中，所述第二肖特基二极管均使用正极通过第三电阻连接至第一低压运放电路的正输入端，且均使用负极连接至地。参照图2所示，根据本发明的第一实施例，所述第一肖特基二极管组包括4个第一肖特基二极管d1至d4，所述第二肖特基二极管组包括4个第二肖特基二极管d5至d8。具体地，也可选用其他具有钳位作用的二极管构建输入端保护电路。在选用肖特基二极管构建输入端保护电路时，可以选取正向压降0.3v左右的低结电容肖特基二极管。参照图2所示，根据本发明的第一实施例，所述前置差分放大电路的放大倍数为1。实际上，也可根据需要设置前置差分放大电路的放大倍数。具体地，下面将参照图2和图10详细描述根据本发明的前置差分放大电路和单端输入信号转差分输出信号电路。其中图10为第一实施例的具体示例的前置差分放大电路的连接关系示意图。在图10所示的具体示例中，自所述前置差分放大电路的输入端端口p1输入的单端信号vin被转换成两路伪差分放大信号vout 和vout-，以输出给下一级的主功率放大电路102。在图10所示的具体实施方式中，由电阻r198，对应至图2中的第一电阻r1，与电阻r200，对应至图2中的第三电阻r3，组成一路电压跟随电路，将输入端端口p1输入信号同相放大1倍，电阻r201，对应至图2中的第四电阻r4，与电阻r203，对应至图2中的第六电阻r6，组成另一路反相放大电路，将输入端端口p1输入信号反相放大1倍，这样输入端端口p1的输入信号就被转换成两路电压相等相位相反的伪差分信号vout 和vout-。电容c177，对应至图2中的第一电容c1，与电阻r197，对应至图2中的第二电阻r2，以及电容c91，对应至图2中的第二电容c2，与电阻r196，对应至图2中的第五电阻r5，分别组成一阶rc高通滤波电路滤除伪差分放大信号中的高频噪声，防止主功率放大电路102进行功率放大时出现额外的噪声源，图10中的运算放大器可选用高速运算放大器，并且为低压运放，工作在﹣12v到12v的范围内。参照图3，在图3所示的根据本发明的第一实施例，所述主功率放大电路102采用高压摆率、高输出电流和低静态工作电流的运算放大器作为主体，在可最大化输出功率的同时降低功放的整体功耗。主功率放大电路102包括多个低压功放单元，每个低压功放单元的两个输入端分别连接至前置差分放大电路提供的双路伪差分放大信号中的一个。根据本发明的第一实施例，所述低压功放单元包括第一主功率放大电路301和第二主功率放大电路302，他们组成单路全差分功率放大电路，且第一主功率放大电路301和第二主功率放大电路302的输入端分别连接到第一信号vout 和第二信号vout-，以分别对第一信号vout 和第二信号vout-进行功率放大，第一主功率放大电路301和第二主功率放大电路302的输出端分别连接到变压器t1的原边的同名端和异名端。根据本发明的第一实施例，第一主功率放大电路301包括：第三运算放大器ua，所述第三运算放大器ua的正输入端通过第十四电阻r14连接到第一信号vout ，第三运算放大器ua的负输入端依次通过第七电阻r7和第三电容c3连接至第一信号vout 的参考地，第三运算放大器ua的负输入端还通过第八电阻r8连接至第三运算放大器ua的输出端；第二主功率放大电路302包括：第四运算放大器ub，第四运算放大器ub的正输入端通过第十二电阻r12连接到第二信号vout-，第四运算放大器ub的负输入端依次通过第十三电阻r13和所述第三电容c3连接至第二信号vout-的参考地，第四运算放大器ub的负输入端还通过第十一电阻r11连接至第四运算放大器ub的输出端。在图3中，第三运算放大器ua和第四运算放大器ub采用供电范围为﹣12v到12v的低压电源供电，为所述第三运算放大器ua和第四运算放大器ub提供正电源电压vcc以及负电源电压vss。根据本发明的第一实施例，第一主功率放大电路301还包括：依次连接到第三运算放大器ua的输出端的第九电阻r9和第四电容c4；连接到第三运算放大器ua的负电源的第一钳位二极管d1以及连接到第三运算放大器ua的正电源的第二钳位二极管d2；第二主功率放大电路302还包括：依次连接到第四运算放大器ub的输出端的第十电阻r10以及第五电容c5；连接到所述第四运算放大器ub的负电源的第三钳位二极管d3，以及连接到所述第四运算放大器ub的正电源的第四钳位二极管d4。第一钳位二极管d1、第二钳位二极管d2、第三钳位二极管d3和第四钳位二极管d4都是为了防止输入至所述第三运算放大器ua和第四运算放大器ub的感性负载，即变压器的反向输入过电压损坏所述第三运算放大器ua和第四运算放大器ub。主功率放大电路102采用全差分放大结构，能够抑制供电电源的开关噪声，实现超声导波激励信号的低失真线性功率放大。[根据第一实施方式的第一实施例的主功率放大电路102]根据本发明的第一实施例，主功率放大电路102包括：多个低压功放单元，均连接到前置差分放大电路101的输出端，用于放大自前置差分放大电路101的输出端的信号。下面将参照图3和图11详细描述根据本发明的主功率放大电路102和单级低压功放单元。如图11所示，图11为本发明的第一实施例的具体示例的单级低压功放单元的结构示意图。在该具体示例中，单级低压功放单元接收来自图10所示的前置差分放大电路输出的两路伪差分放大信号，即第一信号vout 和第二信号vout-，在图11中，第一信号vout 和第二信号vout-分别以第一信号in 和第二信号in-来表示。在图10中，第一信号in 和第二信号in-进入由lt1739芯片组成的同相的第一主功率放大电路301和第二主功率放大电路302中放大电压和电流。在该具体示例中，第一主功率放大电路301和第二主功率放大电路302的电压放大倍数分别由1 (r19/r22)和1 (r27/r25)决定，其中r19为第十九电阻r19的阻值，可以对应至图3中的第八电阻r8。r22为第二十二电阻r22的阻值，可以对应至图3中的第七电阻r7，r27为第二十七电阻r27的阻值，可以对应至图3中的第十一电阻r11，r25,为第二十五电阻r25的阻值，可以对应至图3中的第十三电阻r13。需要注意的是，在图12a至图12d中未画出连接在第一信号和第三运算放大器输入端之间的第十四电阻r14，以及第二信号和第四运算放大器的输入端之间的第十二电阻r12。在该具体示例中，调整第一主功率放大电路301和第二主功率放大电路302的电压放大倍数均为10倍。lt1739芯片的两路输出信号，即第一引脚out1输出的信号，以及第二引脚out2输出的信号，分别对应至第一主功率放大电路301的输出信号以及第二主功率放大电路302的输出信号。并且，第一引脚out1输出的信号分别经第二十电阻r20，对应至图3中的第九电阻r9，以及第十一电容c11，对应至图3中的第四电容c4，以滤除偏置电压。第二引脚out2输出的信号分别经第十九电阻r19，对应至图3中的第十电阻r10，以及第十九电容c19，对应至图3中的第五电容c5，以滤除偏置电压。所述第一引脚out1与第二引脚out2经过上述滤波电路后，分别输入进变压器t1的初级绕组的两端，进行功率合成。变压器t1的型号为pulse公司的pe-65812。在该具体实施方式中，变压器t1的副级绕组将功率合成后的信号进行能量变换的同时也将原边的阻抗进行阻抗变换。上一级变压器t1副边的异名端输出可串联作为下一级变压器t1副边的同名端的输入可作为下一级变压器t1副边的串联输入。可根据需要选择低压功放单元的个数，并且变压器t1的个数与低压功放单元的个数相等。在图3中，有n个低压功放单元，因此有n个变压器t1，并且n个变压器t1的副边的输出被串联。若n等于10，则十个图3中的低压功放单元通过十个变压器t1串联后，可以获得峰峰值为400v的输出高压以及200欧姆的输出阻抗，如图12a所示。在该具体示例中，第八电阻r8与第十一电阻r11的阻值相等，第七电阻r7的阻值与第十三电阻r13的阻值相等，单个低压功放单元的放大倍数为：g＝2×(1 r8/r7)；其中g为单个低压功放单元的放大倍数，r8为图3中第八电阻r8的阻值，也是第十一电阻r11的阻值。r7为图3中第七电阻r7的阻值，也是第十三电阻r13的阻值。在该具体示例中，所述第九电阻r9与第十电阻r10的阻值相等，单个变压器的副边输出特征阻抗为：zoi＝2×m2×r9；其中zoi为单个变压器的副边输出特征阻抗，m为变压器的副原边变换比，r9为图3中第九电阻r9的阻值，也是第十电阻r10的阻值。在该具体示例中，主功率放大电路102的总的输出特征阻抗为：其中zo为主功率放大电路102的总的输出特征阻抗。具体地，根据本发明的第一实施例，主功率放大电路102为全差分方式的放大电路，能够对输入的波形进行差分功率放大，最后单路放大的功率信号通过宽带线性变压器进行能量变换和输出端阻抗匹配。根据本发明的第一实施例，全差分的结构也能够有效抑制供电电源的开关噪声，实现超声导波激励信号的低失真线性功率放大。[根据第一实施方式的第一实施例的变压器组103]根据本发明的第一实施例，变压器组103包括多个变压器t1，且每一低压功放单元的输出端对应耦合至一变压器t1的原边的两个输入端之一，各个变压器t1的副边依次串联，以输出高压线性功率放大信号。根据本发明的第一实施例，每一低压功放单元的输出端都对应交流耦合至一变压器t1的原边的两个输入端之一，并且各个变压器的副边依次串联，由此来实现主功率放大电路102的所有低压功放单元的输出端的串联。根据本发明的第一实施例，变压器t1包括宽带线性变压器，宽带线性变压器能起到能量转换和阻抗变换等作用。主功率放大电路102将输出耦合到变压器t1的原边，其副边依次串联，从而输出高压激励波。具体地，根据本发明的第一实施例，采用多路低压功放单元的输出端耦合至变压器t1的原边、变压器的副边串联输出的方式发射高压的超声导波激励信号，避免了采用高压大功率低噪声直流电源时的难题，并且电路调试简单，发热量小，能按实际使用需求进行串并联组合以扩大输出功率。[根据本发明的第一实施方式的第一实施例的超声线性功率放大器的电气性能验证]为测试如图2所示的本发明的第一实施方式的第一实施例的超声线性功率放大器的整体性能，采用信号发生器401作为标准信号源。信号发生器401的型号可以根据需要自行选择。这里选择的是tektronix公司的afg3021b作为标准信号源。这里还采用示波器403来采集测试功率信号，这里选择的示波器403型号是tektronix公司的dpo3052。参照图4，为测试超声线性功率放大器的电气性能时采用的连接关系示意图。在图4中，主功率放大电路102采用10个低压功放单元串联，输出端连接200欧姆的大功率阻性负载。信号发生器401发射峰峰值为2v的5周期正弦波脉冲，其频率分别为50khz、100khz、200khz、400khz、800khz、1mhz、1.2mhz和1.5mhz，示波器403用10倍衰减探头来采集200欧姆负载402上的功率信号。图5a至图5b为在200欧姆的负载上，示波器403采集到的10倍衰减后的各个频率下的功率信号与标准正弦信号对比图。由图5a至图5b知，采集到的10倍衰减功率信号在各个测试频率下的线性放大失真度都很低，且随着频率的增加，输出信号的电压幅度逐渐降低。这是因为变压器是感性负载，其副边阻抗会随着频率的增加而变大，即主功率放大电路102整体的输出阻抗随频率增加而增加，故当负载一定时，主功率放大电路102的输出内阻抗上的功耗增加，而负载上的电压会呈现出随频率增加而下降的趋势。当负载为200欧姆时，经统计各测试频率下的功率信号电压幅值见表1，其最大输出功率达112w。由于50khz以下频率的功放信号失真度较大，因此此处不予测试。表1各测试频率下的输出电压峰值(200欧姆负载402)频率/mhz0.050.10.20.40.811.21.5电压峰值/v10610510410194898479超声导波宽带线性功率放大装置100的一个重要指标是输出噪声，其能够很好的反映功放的性能。测试将超声导波宽带线性功率放大装置100的输入短接后，由示波器403连接同轴电缆采集所研制的功放的输出噪声，具体见图6。图6中，实际测量得超声导波宽带线性功率放大装置100输出的噪声峰值为0.14v，对应空载输出峰峰值为400v时的精度为0.7％，符合低噪声超声导波激励要求。超声导波宽带线性功率放大装置100的另一个重要参数为通频带带宽。为确定超声导波宽带线性功率放大装置100的带宽和宽带内增益平坦度，采用扫频方式进行测试，扫频范围为50khz至2mhz，间隔为10khz，50khz以下放大失真度较大，故不作测试。图7为功放电路增益带宽曲线，图中虚线内区域为超声导波宽带线性功率放大装置100的-3db带宽范围，约为50khz～1.6mhz，通带内增益平坦度为1.47db，满足常规超声导波激励频率的选取使用。在激励超声导波时，超声导波宽带线性功率放大装置100常采用单音频信号作为激励源信号。测试采用自行研制的带任意波形输出功能的超声导波采集卡作为激励源，超声导波采集卡的小信号放大带宽为10khz～2mhz，连续可调放大倍数为1～595倍，采集卡具有14位adc、100mhz采样，有效采样电压的峰峰值范围为2v；其输出任意波电压范围为-1.8v～ 1.8v，输出信号频率连续可调，调节范围为50khz～1.5mhz，输出脉冲信号重复周期范围为1至15。激励源分别发射汉宁窗调制3周期正弦信号，电压峰峰值为2v，以及汉宁窗调制5周期正弦信号，电压峰峰值为2v，作为超声导波宽带线性功率放大装置100的输入信号。图8所示为功放电路实际输出不同调制周期和不同频率单音频功率信号波形，此时超声导波宽带线性功率放大装置100的负载也为200欧姆。图8所示的波形均经10倍衰减后由示波器403采集得到。由图8知，在输入汉宁窗调制3周期正弦时，超声导波宽带线性功率放大装置100对应输出单音频功率信号峰值分别为104.2v(100khz)和104v(300khz)、101.9v(600khz)，对应的峰值电流分别为521ma和520ma、509.5ma；在输入汉宁窗调制5周期正弦时，功放对应输出的单音频功率信号峰值分别为107v(333.3khz)和104.6v(500khz)、100.4v(1mhz)，对应峰值电流分别为535ma和523ma、502ma。所述导波宽带线性放大器输出的各个频率下的不同周期数调制正弦功率信号与理想输出波形均吻合度较高，失真度均很低。图8中功放输出电压幅值随频率增大而下降，都是由输出变压器的感性阻抗引起，若此功放应用于导波的高频检测可通过增大功放输出串联级数以获取更高输出电压来弥补。在一种实施例中，采用六层板结构实现超声导波宽带线性功率放大装置100，正负供电电源轨均有其独立的电源平面，lt1739芯片采用增强散热封装，其底面散热铜皮与负电源轨电源层平面相连可以使功放整体的散热效率最大化。经实测，所研制的超声导波宽带线性功率放大装置100在长时间静态工作时最大表面结温度稳定在为45°左右，保证了此超声导波宽带线性功率放大装置100工作的稳定性。依据变压器输出并联运行原理，当单路变压器输出特征阻抗和阻抗角相同时，可将多个变压器进行并联；故此超声导波宽带线性功率放大装置100可在某些需要大功率应用的场合，通过多个超声导波宽带线性功率放大装置100并联的方式以降低整体输出阻抗并提高输出电流和功率。在一种实施例中，采用两个超声导波宽带线性功率放大装置100并联输出方式测试超声导波宽带线性功率放大装置100在纯阻性负载下性能的系统，测试采用10倍衰减探头和0.1v/a的电流探头同时测量100欧姆的阻性负载上的超声导波宽带线性功率放大装置100的输出电压和电流。测试分别选用低频50khz和高频1mhz两个频率点测试双超声导波宽带线性功率放大装置100并联输出特性。图9a为在100欧姆阻性负载下，输入50khz、电压峰峰值为2v的五周期正弦信号时的双超声导波宽带线性功率放大装置100并联输出结果；图9b为相同条件下输入1mhz、电压峰峰值为2v五周期正弦信号时的双超声导波宽带线性功率放大装置100并联输出结果。由图9a以及图9b知，双超声导波宽带线性功率放大装置100并联输出时，其带负载能力更强，为单超声导波宽带线性功率放大装置100带负载能力的两倍，且在纯阻性负载下，其输出电流和电压波形基本无变形，电流波形和电压波形契合度良好；50khz时100欧姆的负载上的输出电压峰峰值为210v，1mhz时其输出电压峰峰值为172v。图9a以及图9b中两个频率点的电流波形均稍滞后于其电压波形，这是由电流探头的迟滞特性引起(图9a以及图9b中电压坐标值为10倍衰减后的值，电流坐标值为无衰减实际值)。由图9a以及图9b的测试结果知，此超声导波宽带线性功率放大装置100可进行多个(>＝2个)并联降低整体输出阻抗可获得更大的输出功率。在需要更高输出电压的场合，此超声导波宽带线性功率放大装置100可进行串联组合，这相当于增加单个超声导波宽带线性功率放大装置100的级联级数，但相应地其输出阻抗也会增加，可再通过并联结构降低其输出阻抗。总之，研制的此功放板可随意进行串并联以获得更高的输出电压和更低的输出阻抗，扩展性很强，有望应用于大功率的超声导波激励测试中。[第二实施方式]参照图12a至图12d，在图12a至图12d所示的具体实施方式中，若将该超声导波线性功率放大器再进行板级间串联则可获得更高的输出电压，但是相应地输出阻抗会增加；若该超声线性功率放大器再进行板级间并联则可整体其输出电压幅度不变，但是输出阻抗会减小。例如，将两个超声线性功率放大器串联，则串联后得到的结构的输出电压峰峰值达到800v，且输出阻抗会相应增加到400欧姆，见图12b；如果将两个超声导波线性功率放大器并联，则并联后得到的结构的输出电压不变，电压峰峰值仍旧为400v，但是输出阻抗会相应减小到100欧姆，见图12c；如果该超声导波线性功率放大器进行板级间串并联组合，如两个超声导波线性功率放大器先串联之后，再将4组串联后的超声导波线性功率放大器进行并联，则可获得电压峰峰值800v输出电压以及100欧姆输出阻抗，见图12d。在该具体实施方式中，运算放大器可采用adi公司的lt1739芯片来实现。在使用该芯片时，使用连接至shdn脚的电阻将lt1739芯片的典型静态电流设置为10ma，以有效降低功放功耗，并输出较大电流。此时，单路输出典型电流1.2a，可驱动负载电阻最低为10欧姆。在该具体实施方式中，低压功放单元的放大倍数为10，变压器原副边变换比为1:1。在该具体实施方式中，由于由lt1739芯片组成的主功率放大电路102的带宽很大，至少为200mhz，故主功率放大电路102的整体通频带范围主要由输出级变压器决定，这里选用宽频带的数字音频变压器，频带范围为50khz～2mhz，即所述宽带线性变压器的频带范围为50khz～2mhz。经试验可知，使用图1中的主功率放大电路102时，主功率放大电路102的-3db带宽为50khz～1.6mhz，通带内增益平坦度为1.47db，在200欧姆的负载上的输出电压的峰峰值最高可达212v，瞬时输出总功率达112w，而最大输出噪声仅为0.14v，发射波形失真度较低。对于某些大功率应用的场合，该功放板可根据实际需要进行串并联组合输出，能获得超大的输出功率和超低的输出阻抗。根据本发明的第二实施方式中，变压器本身具备阻抗变换及副边可串联输出等特性，因此将多路宽带线性变压器的副边输出串联以逐级提高发射信号的电压幅度。以上虽然参照示例性实施例对本发明进行了描述，但是上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的任何等效变型或修改，都应涵盖在本发明的保护范围之内。当前第1页1 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技术特征：1.一种超声导波宽带线性功率放大装置，其特征在于，包括：
前置差分放大电路，用于将单端信号转换为双路伪差分信号，且所述前置差分放大电路的输入端用于接收待放大的超声导波信号；
主功率放大电路，连接到所述前置差分放大电路的输出端；
其中，主功率放大电路包括：
多个低压功放单元，均连接到所述前置差分放大电路的输出端，用于放大自所述前置差分放大电路的输出端的信号；
变压器组，包括多个变压器，且每一低压功放单元的一输出端对应耦合至一变压器的原边的两个输入端之一，各个变压器的副边依次串联，以输出线性放大信号。
2.根据权利要求1所述的超声导波宽带线性功率放大装置，其特征在于，所述前置差分放大电路包括第一低压运放电路和第二低压运放电路，且所述第一低压运放电路的输出端用于输出第一信号，所述第二低压运放电路的输出端用于输出第二信号，所述第一信号以及所述第二信号反相，为所述超声导波信号的双路伪差分放大信号。
3.根据权利要求2所述的超声导波宽带线性功率放大装置，其特征在于，所述第一低压运放电路包括：
第一运算放大器，所述第一运算放大器的负输入端通过第一电阻连接到所述运算放大器的输出端，所述第一运算放大器的输出端还依次通过第一电容和第二电阻连接到地；
第三电阻，连接至所述前置差分放大电路的输入端，并连接至所述第一运算放大器的正输入端；
所述第一低压运放电路的输出端设置于所述第一电容和第二电阻之间；
所述第二低压运放电路包括：
第二运算放大器，所述第二运算放大器的负输入端通过第四电阻连接到所述运算放大器的输出端，所述第二运算放大器的输出端还依次通过第二电容和第五电阻连接到地；
第六电阻，连接至所述前置差分放大电路的输入端，并连接至所述第二运算放大器的正输入端；
所述第二低压运放电路的输出端设置于所述第二电容和第五电阻之间。
4.根据权利要求2所述的超声导波宽带线性功率放大装置，其特征在于，所述前置差分放大电路还包括输入端保护电路，所述输入端保护电路通过第三电阻连接至第一低压运放电路的输入端，限制流入所述第一低压运放电路和第二低压运放电路的电流。
5.根据权利要求4所述的超声导波宽带线性功率放大装置，其特征在于，所述输入端保护电路包括：
第一肖特基二极管组，通过第三电阻连接至第一低压运放电路的正输入端，且包括依次连接的多个第一肖特基二极管，其中，所述第一肖特基二极管均使用负极通过第三电阻连接至第一低压运放电路的正输入端，且均使用正极连接至地；
第二肖特基二极管组，通过第三电阻连接至第一低压运放电路的正输入端，且包括依次连接的多个第二肖特基二极管，其中，所述第二肖特基二极管均使用正极通过第三电阻连接至第一低压运放电路的正输入端，且均使用负极连接至地。
6.根据权利要求2所述的超声导波宽带线性功率放大装置，其特征在于，所述低压功放单元包括第一主功率放大电路和第二主功率放大电路，且所述第一主功率放大电路和第二主功率放大电路的输入端分别连接到所述第一信号和第二信号，以分别对所述第一信号和第二信号进行放大，所述第一主功率放大电路和第二主功率放大电路的输出端分别连接到所述变压器的原边的同名端和异名端。
7.根据权利要求6所述的超声导波宽带线性功率放大装置，其特征在于，
所述第一主功率放大电路包括第三运算放大器，所述第三运算放大器的正输入端通过第十四电阻连接到所述第一信号，所述第三运算放大器的负输入端依次通过第七电阻和第三电容连接至所述第一信号的参考地，所述第三运算放大器的负输入端还通过第八电阻连接至所述第三运算放大器的输出端；
所述第二主功率放大电路包括第四运算放大器，所述第四运算放大器的正输入端通过第十二电阻连接到所述第二信号，所述第四运算放大器的负输入端依次通过第十三电阻和所述第三电容连接至所述第二信号的参考地，所述第四运算放大器的负输入端还通过第十一电阻连接至所述第四运算放大器的输出端。
8.根据权利要求7所述的超声导波宽带线性功率放大装置，其特征在于，
所述第一主功率放大电路还包括：
依次连接到所述第三运算放大器的输出端的第九电阻和第四电容；
连接到所述第三运算放大器的负电源的第一钳位二极管以及连接到所述第三运算放大器的正电源的第二钳位二极管；
所述第二主功率放大电路还包括：
依次连接到所述第四运算放大器的输出端的第十电阻以及第五电容；
连接到所述第四运算放大器的负电源的第三钳位二极管，以及连接到所述第四运算放大器的正电源的第四钳位二极管。
9.根据权利要求1所述的超声导波宽带线性功率放大装置，其特征在于，所述变压器包括宽带线性变压器。
技术总结本发明提供超声导波宽带线性功率放大装置，包括：前置差分放大电路，用于将单端信号转换为双路伪差分信号，且其输入端用于接收待放大的超声导波信号；主功率放大电路，连接到前置差分放大电路的输出端；主功率放大电路包括：多个低压功放单元，均连接到前置差分放大电路的输出端，用于放大自前置差分放大电路的输出端的信号；变压器组，包括多个变压器，且每一低压功放单元的一输出端对应耦合至一变压器的原边的两个输入端之一，各个变压器的副边依次串联，以输出线性放大信号。该装置能够在较高的带宽范围内实现低电压激励信号的平坦线性功率放大，且具备供电电源电压低，调试简单、发热量低、能根据需要进行串并联扩容输出等优势。
技术研发人员：齐文博
受保护的技术使用者：中国地震局地质研究所
技术研发日：2020.04.02
技术公布日：2020.06.09
