超声波发生器的模拟电路设计

图6.2-1所示为振荡-放大型超声波发生器结构方框图。由此可以看出，振荡-放大型超声波发生器实际上就是一个带有振荡电路的放大器。但由于超声波发生器驱动的是换能器这一特殊负载，所以它在结构上又有自己的特点。

图6.2-1 振荡-放大型超声波发生器结构图

6.2.1.1 超声波振荡器

1.RC正弦波振荡器

RC阻容振荡器的种类很多，常用的有RC移相振荡器、串-并联选频网络（文氏电桥）振荡器、双T形选频网络振荡器等。频率稳定度、振幅稳定度和波形失真对不同的RC振荡器是不同的，工作中可根据技术要求选择合理的电路形式。表6.2-1列举了三种典型的RC正弦波振荡器。

表6.2-1 典型RC正弦波振荡器

（续）

2.LC正弦波振荡器

LC正弦波振荡器是用L、C元件组成选频网络的振荡器，一般用来产生1MHz以上的高频正弦信号。根据LC调谐回路的不同连接方式，LC正弦波振荡器又可分为变压器反馈式（或称互感耦合式）、电感三点式和电容三点式三种。它们的选频网络采用LC并联谐振回路。LC并联回路如图6.2-2所示。

LC并联谐振回路具有以下特点：

1）回路的谐振频率为

2）谐振时，回路的等效阻抗为纯电阻性质，并达到最大值，即

式中，，称为回路品质因数，其值一般在几十至几百范围内。

图6.2-2 LC并联谐振回路

3）谐振时，输入电流与回路电流之间的关系为

通常Q＞＞1，所以。可见谐振时，LC并联电路的回路电流或比输入电流大得多，即的影响可忽略。这个结论对于分析LC正弦波振荡电路的相位关系十分有用。表6.2-2列举了三种典型的LC正弦波振荡器。

3.压控振荡器（VCO）

振荡频率是输入信号电压的函数的振荡器称为压控振荡器。压控振荡器的类型有LC压控振荡器、RC压控振荡器和晶体压控振荡器。对压控振荡器的技术要求主要有：频率稳定度好、控制灵敏度高、调频范围宽、频偏与控制电压成线性关系并宜于集成等。晶体压控振荡器的频率稳定度高，但调频范围窄；RC压控振荡器的频率稳定度低而调频范围宽；LC压控振荡器居两者之间。

压控振荡器能产生正弦波、三角波或方波等。若用直流电压作为控制电压，压控振荡器可制成频率可调的信号源，若用正弦电压作为控制电压，压控振荡器就成了调频振荡器，它能输出抗干扰能力很强的调频波。

表6.2-2 典型的LC正弦波振荡器

（1）LC压控振荡器 在任何一种LC振荡器中，将压控可变电抗元件插入振荡回路就可形成LC压控振荡器。早期的压控可变电抗元件是电抗管，后来大都使用变容二极管。图6.2-3所示为克拉泼型LC压控振荡器的原理电路。图中，V为晶体管，L为回路电感，C₁、C₂、C_v为回路电容，C_v为变容二极管反向偏置时呈现出的容量；C₁、C₂通常比C_v大得多。当输入控制电压u_c改变时，C_v随之变化，因而改变振荡频率。这种压控振荡器的输出频率与输入控制电压之间的关系为

（2）RC压控振荡器 在单片集成电路中常用RC压控多谐振荡器。

（3）晶体压控振荡器 在用石英晶体稳频的振荡器中，把变容二极管和石英晶体相串接，就可形成晶体压控振荡器。为了扩大调频范围，石英晶体可用AT切割并取用其基频率的石英晶体，在电路上还可采用展宽调频范围的变换网络。

6.2.1.2 超声波放大器

图6.2-3 克拉泼型LC压控振荡器

超声波放大器的作用是将振荡信号放大至所需电平。放大部分可以是单级的，也可以是多级的，主要看输出功率的需要。早期的超声波发生器是用电子管做放大器件，现在则普遍采用晶体管（三级管、场效应管和IGBT器件）。近年来越来越多的制造商采用功率集成电路作超声波发生器的放大器件。

1.晶体管超声波放大器

目前工业上广泛使用的超声波发生器基本上被晶体管电路所垄断。与电子管发生器相比，晶体管发器的优点在于体积小、质量轻、效率高。但从另一方面讲，由于受到反向击穿电压、最大集电极电流、最大集电极耗散功率参数等的限制，通常一对晶体管的最大输出功率只能达到百瓦级。要提高晶体管发生器的输出能力，除了有赖于高性能器件的开发外，还必须采用高效率的电路。

传统的甲类、乙类、丙类放大器是把有源器件（如以晶体管为讨论对象）作为电流源工作。在这些放大器中，晶体管工作在伏安特性曲线的有源区。集电极电流受基极激励信号控制作相应变化，而集电极电压是正弦波或正弦波的一部分。因此，集电极在信号一周内同时存在颇大的电流和电压。要消耗相当一部分功率，这就是传统放大器的能量转换效率受限制的主要原因。开关模式放大器（丁类）在提高放大器效率方面有了质的改进，它把有源器件作为接通/断开的开关运用。晶体管工作在伏安特性曲线的饱和区或截止区，当晶体管被激励而接通时进入饱和区，断开时进入截止区。由于晶体管饱和压降很低，集电极功耗降到最低限度，提高了放大器的能量转换效率。一般在理想的晶体管条件下（饱和压降为零，饱和电阻为零。断开电阻为无穷大，开关时间为零），属于开关模式工作的丁类放大器，理论效率为100%，实际效率也可达90%以上。而通常的甲类放大器效率只有50%，乙类效率为78.5%。从中看出开关模式功率放大器在功率超声的应用中具有相当大的实际意义。

（1）丁类放大器 与其他放大电路（甲类、甲乙类、乙类以及丙类）不同，丁类放大电路是工作在开关状态的，其输出为方波。只有在输出端加接一个谐振网络后，才能够得到正弦波。另外，这种电路的调制比较困难。上述这两点在其他场合下会带来不便，而对超声发生器却不会产生任何额外问题。这是因为，超声发生器的匹配回路本来就具有调谐功能，而加到换能器上的电信号又不需要调制。因此，丁类放大电路在超声发生器中应用很广。下面介绍最常见的电压型丁类放大电路，如图6.2-4所示。

图6.2-4中，高频变压器T_r使加到两管发射结的激烈电压U_b1与U_b2大小相等、极性相反；V₁与V₂是特性相同的同类型高频功率管。若输入电压u_i是频率为ω_c的余弦波，且其振幅足够大，则当u_i为正半周期时，V₁饱和导通而V₂截止；u_i为负半周期时，V₂饱和导通而V₁截止。显然，图中的A点对地电压u_A在u_i正半周时为（V_CC-U_CE（sat）），在u_i负半周时为U_CE（sat），则uA为幅度等于（V_CC-2U_CE（sat））的方波电压。该电压加到由L、C、R_L组成的串联谐振回路上，若谐振回路谐振在ω_c上，且其Q值足够高（即选频作用好），则回路对基波分量呈现很小的纯电阻性阻抗（约等于R_L），而对其他频率分量呈现的阻抗很大，可近似看成开路。因此，u_A中只有基波分量才能顺利通过L、C，称为输出电压u_o，即u_o是频率为ω_c的不失真的余弦波。显然，通过回路的电流i_L也是频率为ω_c的余弦波。

图6.2-4 电压型丁类放大器原理图

由于丁类放大电路输出的电压幅度是一定的，因此不能用通常的调节幅度的方法来改变输出功率的大小。通常采取的方法有三种：调节电源电压、调节脉宽和调节工作周期。

（2）桥式功率放大器 开关模式功率放大器除了上面讲到的丁类放大器外，还有桥式功率放大器。桥式功率放大器又可分成半桥式功率放大器和全桥式功率放大器两种形式。见图6.2-5、图6.2-6。

图6.2-5 半桥式功率放大器电路

图6.2-6 全桥式功率放大器电路

2.绝缘栅双极型晶体管（IGBT）放大器

随着电力电子器件的发展，特别是IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的发展和成熟，使得开关式放大器的输出功率提高很多。IGBT是一种MOS（金属氧化物半导体）管与双极型晶体管结合的产物，既有MOS管开关频率高（40～50kHz）、驱动简单等优点，又有双极型晶体管导通压降小、耐压高、抗冲击能力强等优点。最大功率输出可以达到5kW，是理想的超声波放大器件。

下面以日本富士产品EXB841为例加以介绍。EXB8系列直插式芯片外形尺寸如图6.2-7所示，其管脚说明见表6.2-3。其内部电路框图如图6.2-8所示。额定参数和运行条件可参考其使用手册。

IGBT通常只能承受10μs的短路电流，所以必须有快速保护电路。EXB841内设有电流保护电路，根据驱动信号与集电极之间的关系检测过电流，其检测电路如图6.2-9a所示。如果发生过电流，驱动器的低速切断电路就慢速关断IGBT（＜10μs的过电流不响应），从而保证IGBT不被损坏。如果以正常速度切断过电流，集电极产生的电压尖脉冲足以破坏IGBT，关断时的集电极波形如图6.2-9b所示。

图6.2-7 EXB8系列芯片外形尺寸

a）EXB850、EXB840外形尺寸 b）EXB851、EXB841外形尺寸

表6.2-3 EXB8系列芯片管脚说明

图6.2-10是EXB841的原理图，图中EXB841由放大部分、过电流保护部分和5V电压基准部分组成。放大部分由光电耦合器IS01（TLP550）、V₂、V₄、V₅和R₁、C₁、R₂、R₉组成，其中IS01起隔离作用，V₂是中间级，V₄和V₅组成推挽输出。

过电流保护部分由V₁、V₃、VD₆、VZ₁和C₂、R₃、R₄、R₅、R6、C3、R7、R8、C4等组成。它们实现过电流检测和延时保护功能。EXB841的脚6通过快速二极管VD₇接至IGBT的集电极，显然它是通过检测电压V_ce的高低来判断是否发生短路。5V电压基准部分由R₁₀、VZ₂和C₅组成，既为驱动IGBT提供-5V反偏压，同时也为输入光电耦合器IS01提供负电源。

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图6.2-8 EXB841内部电路框图

图6.2-9 过电流检测及其相关波形图

a）过电流检测器 b）IGBT关断时的集电极电流波形 c）低开启电压和关栅极电压的产生

图6.2-10 EXB841电路原理图

3.集成功率放大器

（1）音响功率放大器 图6.2-11中集成电路STK是日本生产的一种输出功率200W的音响功率放大器，截止频率为50kHz，谐波失真小于0.08%。用它做超声波放大器效果很好。

图6.2-11 音响功率放大器STK电路原理图

（2）大功率运算放大器 采用大功率运算放大器作超声波放大器，优点是外围电路简单，运算放大器温度漂移小，超声波输出稳定，图6.2-12所示为美国国家半导体公司生产的大功率运算放大器LM电路原理图。其输出功率为150W，截止频率为60kHz，谐波失真小于0.01%。如要获得更大的输出功率可以将两只LM按BTL方式连接。

6.2.1.3 匹配电路和频率自动跟踪

超声波发生器与一般放大器的一个重要区别在于它的匹配电路部分。一般放大器与负载之间的匹配只牵涉到阻抗变换，而超声波发生器与负载之间的匹配则除了阻抗变换之外，还有一项很重要的内容——调谐，即选用一定值的电抗元件，使之在工作频率上与负载中的电抗成分谐振。只有在同时进行了阻抗变换和调谐之后，整个系统才算是达到了匹配，换能器才能正常工作。

图6.2-12 大功率运算放大器LM电路原理图

1.匹配电路

（1）超声波输出变压器 选择超声波输出变压器应考虑以下几个方面：

1）铁芯。通常根据输出功率确定铁芯材料。见表6.2-4。

表6.2-4 输出功率与铁芯材料

2）开路阻抗（R₀）。R₀＞5R_H，R_H为负载阻抗。

3）漏感。

式中，L为一次侧电感（mH）；L_s漏感（mH）；R_e末级功放管负载电阻（Ω）；f为超声变压器工作频率（kHz）。

4）线圈。每伏匝数为

式中 B为磁感应强度（T）；A_c为铁芯截面积（mm）2；f为超声变压器工作频率（kHz）。

表6.2-5给出了电压及匝数计算公式。

表6.2 - 5 电压及匝数计算公式

5）线圈的绝缘材料为聚酯薄膜。

6）除了考虑上述参数外，还应注意以下事项：

① 被选用的硅钢片材料在热处理时，务必注意其清洁程度和对退火温度的控制，以确保铁心的损耗比较小，硅钢片之间应涂上绝缘漆。

② 线圈绕制过程中，必须保证清洁，严禁灰尘杂物进入线包内。线圈的引出头位置要恰当，以免与铁芯之间在工作时发生飞弧现象。浸渍后的线圈必须烘干。

③ 应采取措施，防止输出变压器在开路状态下工作。

④ 为了适应多种阻抗的换能器，输出二次侧宜采用多组抽头。

（2）发生器与换能器的匹配

1）发生器与换能器的匹配应遵循以下原则：

① 发生器的输出阻抗与换能器的动态阻抗一致。

② 在额定输入电功率条件下，使换能器输出的声功率最大。

2）输出匹配回路。超声波发生器与换能器的匹配包括两方面的内容：

① 发生器的输出阻抗与换能器的动态阻抗一致；

② 在额定输入电功率条件下，使换能器输出的声功率最大。

超声波发生器与换能器的匹配方法是，首先应准确测量换能器的动态阻抗及其变化范围，然后合理选择发生器的输出阻抗和匹配回路的元件值，用逐步逼近的方法，通过反复测试，即可实现发生器与换能器之间的匹配。

下面分析晶体管型超声波发生器与压电换能器之间的匹配问题。

图6.2-13 输出匹配回路

夹芯式压电换能器与超声波发生器匹配时，由于它是容抗性负载，所以回路中必然产生很大的无功损耗，故应采用图6.2-13所示的输出匹配回路。它是一种串联谐振电路，谐振时，换能器阻抗呈现纯阻状态，输出电压达到最小值。

2.频率自动跟踪

在超声加工系统中，为了获得最大的振幅以提高加工效率，工作过程就应调整超声波发生器的频率，使其与换能器振动系统的谐振频率相等，从而保证系统在最大的振幅下工作。频率自动跟踪的目的是为了解决超声振动系统的谐振问题，使超声波发生器的激励信号频率等于换能器振动谐振频率。超声波发生器采用的频率自动跟踪系统按照获得反馈信号的不同，分为电反馈系统和声反馈系统。电反馈系统又可分为采用阻抗电桥形式的动态反馈系统、单一的电压或电流反馈系统、功率反馈-压控振荡系统和锁相压控振荡系统。由于电反馈系统反馈信号的获取较为简单便利，大多采用这种形式的频率跟踪方法。

图6.2-14 电流反馈法

（1）电流反馈法 如图6.2-14所示，取样电阻r对流经换能器的电流采样，此采样信号被反馈至发生器的输入端激振。在正常工作条件下，即发生器的振荡频率等于换能器的机械谐振频率时，r上的电压与发生器输出电压同相，振荡条件得以满足。一旦换能器的谐振频率改变，r上的电压不再与输出电压同相，原有的振荡条件被破坏。重新建立起来的振荡仍将满足r上的电压与输出电压同相，这意味着发生器的振荡频率已随换能器的谐振频率而变。这种方法最为简单，但跟踪灵敏度不高，稳定性较差。

图6.2-15 差动变量器电桥法

（2）差动变量器电桥法 如图6.2-15所示，C₀、C、L、R表示换能器的等效参数，T为差动变量器，C₁为补偿电容，T₁和T₂是变量器的两个对称线圈。当C₁、T₁、T₂和C₀组成的电桥平衡时，I₁和I₀在变量器T中产生的磁通将相互抵消，只有串联支路电流I通过T₂时产生的磁通会在绕组T₃中感应出电压V_i，故V_i只与串联支路有关。只有当机械谐振时，I为最大，V_i也为最大，且与激励电压V₀同相，满足振荡产生的相位条件。因此，发生器的振荡频率将会始终跟踪换能器的机械谐振频率。

（3）锁相法 由前面的“匹配电路”小节得知，当换能器谐振且与发生器匹配时，其输入特性（包括匹配电抗元件在内）相当于一个纯阻。此时，加于其上的电压与流过的电流同相。一旦换能器的谐振频率改变，此电压与电流之间就会有一个相位差。锁相法的原理就是检测出这个相位差的大小和符号，用此偏差信号去调节振荡器的频率，使相位差减小，直至被锁定在零上。图6.2-16给出了这种方法的原理框图，图中的VCO为压控振荡器。

图6.2-16 锁相法原理框图