一种桥式推挽结构及变压器耦合的双运放功率放大设备

本发明属于超声检测领域，设计一种功率放大设备，尤其是涉及一种桥式推挽结构及变压器耦合的双运放功率放大设备。

背景技术：

1、在超声检测领域，提高对换能器的驱动能力，使其激发出更强的超声信号，一直以来都是相关学者和技术人员关注的方向。目前，市面上的功率放大设备在常规压电超声检测当中表现尚可，但是在电磁超声检测中，因为电磁超声换能器（emat，electromagneticacoustic transducer）的多次能量转换，换能效率低于压电换能器，想要获得信噪比足够的检测信号，往往需要比压电超声高得多的激励电压和电流。这就对功率放大设备提出了更高的要求。

2、现阶段的电磁超声检测系统中，功率放大设备可选择的型号单一，原因是在驱动emat时，需要有大电流输出的能力，同时不能影响高压激励的功能。该类型设备采用分立式元器件搭建而成，其设计自由度高，通过堆叠元器件，可获得超高输出功率。然而，这种方案使其整体复杂度和设备体积、重量都大大增加，且使用时对操作人员要求严苛。此外，功率放大设备还可采用集成芯片搭建。这类方案通常采用高压运算放大器，电路结构相对简单稳定，体积小、重量轻。

3、但现阶段，集成芯片搭建的超声功率放大器受限于半导体工艺，输出功率受到限制，无法兼顾高压和大电流。设计方案通常为基础的负反馈运算放大结构，电路一般只用到单颗芯片，输出能力的上限只取决于芯片本身，难以满足emat驱动要求的同时具备高压输出能力。

4、因此，有必要研发一种新的功率放大设备集成方案。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种桥式推挽结构及变压器耦合的双运放功率放大设备，兼顾emat所需的高电流驱动和对常规负载的高电压输出能力，可用于电磁超声检测和常规超声检测。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种桥式推挽结构及变压器耦合的双运放功率放大设备，包括相连接的桥式推挽结构功率放大电路和变压器耦合隔离电路，其中，

4、所述桥式推挽结构功率放大电路用于根据输入的低压信号，生成两路相位相差180度的高压信号；

5、所述变压器耦合隔离电路用于将两路所述高压信号转换为单端信号，基于变压器的阻抗变换原理，实现对不同阻抗负载的良好驱动。

6、进一步地，所述桥式推挽结构功率放大电路基于两颗pa85运算放大芯片搭建桥式推挽结构。

7、进一步地，所述桥式推挽结构功率放大电路包括电源输入端，该电源输入端使用能够防止超出设定范围的电压进入芯片的tvs二极管。

8、进一步地，所述变压器耦合隔离电路的原副边线圈匝数比基于最佳负载值优化确定。

9、进一步地，所述桥式推挽结构功率放大电路和变压器耦合隔离电路间串联有用于限制静态直流电流的功率电阻。

10、进一步地，所述桥式推挽结构功率放大电路包括两个地平面，分别是输入低压信号的参考地和电源参考地。

11、进一步地，对所述桥式推挽结构功率放大电路进行pcb布局时，将待放大的低压信号的输入bnc端口和高压差分浮地信号的输出端口设置于pcb的不同侧面。

12、进一步地，所述变压器耦合隔离电路仅在输出一侧设置有接地端。

13、进一步地，该设备输入的低压信号的峰峰值电压范围为小于或等于3.9 vpp。

14、进一步地，该设备还包括用于提供电源的外部双极性高压供电源。

15、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

16、（1）从驱动能力看，本发明采用相连接的桥式推挽结构功率放大电路和变压器耦合隔离电路，可对不同阻抗范围的负载进行驱动，同时可以驱动低阻抗的emat，可提高检测系统的适配性，双倍叠加的输出电压则可以提高输出功率。本发明采用桥式推挽结构的放大电路，可以实现单颗运算放大芯片的两倍输出电压，不同变压比的高频变压器，使本发明在应对不同负载时，都能以接近最大功率进行驱动，因此本发明的驱动能力良好。实验验证结果表明，本发明可实现对不同负载的驱动，兼顾电磁超声检测的大电流需求和常规应用的高压输出。

17、（2）从实际测量效果来看，本发明可以进行测量任务。通过变压器耦合实现完全的电气隔离，使原本浮地的差分输出可以安全地连接至各类接地负载，从根源上避免了高压泄漏风险，保障了设备和操作人员的安全。结合桥式推挽结构功率放大电路的高驱动能力，本发明在应用超声换能器进行测量任务时有良好表现。实验验证结果表明，本发明在实际应用中表现良好。

18、（3）对于不同的工作频率，本发明的带宽水平良好。高压的运算放大芯片的带宽普遍较低，而本发明选用pa85芯片搭建的电路在带宽上则有不错的表现。实验验证结果表明，本发明保持了良好的带宽水平。

1.一种桥式推挽结构及变压器耦合的双运放功率放大设备，其特征在于，包括相连接的桥式推挽结构功率放大电路和变压器耦合隔离电路，其中，

2.根据权利要求1所述的桥式推挽结构及变压器耦合的双运放功率放大设备，其特征在于，所述桥式推挽结构功率放大电路基于两颗pa85运算放大芯片搭建桥式推挽结构。

3.根据权利要求2所述的桥式推挽结构及变压器耦合的双运放功率放大设备，其特征在于，所述桥式推挽结构功率放大电路包括电源输入端，该电源输入端使用能够防止超出设定范围的电压进入芯片的tvs二极管。

4.根据权利要求1所述的桥式推挽结构及变压器耦合的双运放功率放大设备，其特征在于，所述变压器耦合隔离电路的原副边线圈匝数比基于最佳负载值优化确定。

5.根据权利要求1所述的桥式推挽结构及变压器耦合的双运放功率放大设备，其特征在于，所述桥式推挽结构功率放大电路和变压器耦合隔离电路间串联有用于限制静态直流电流的功率电阻。

6.根据权利要求1所述的桥式推挽结构及变压器耦合的双运放功率放大设备，其特征在于，所述桥式推挽结构功率放大电路包括两个地平面，分别是输入低压信号的参考地和电源参考地。

7.根据权利要求1所述的桥式推挽结构及变压器耦合的双运放功率放大设备，其特征在于，对所述桥式推挽结构功率放大电路进行pcb布局时，将待放大的低压信号的输入bnc端口和高压差分浮地信号的输出端口设置于pcb的不同侧面。

8.根据权利要求1所述的桥式推挽结构及变压器耦合的双运放功率放大设备，其特征在于，所述变压器耦合隔离电路仅在输出一侧设置有接地端。

9.根据权利要求1所述的桥式推挽结构及变压器耦合的双运放功率放大设备，其特征在于，该设备输入的低压信号的峰峰值电压范围为小于或等于3.9 vpp。

10.根据权利要求1所述的桥式推挽结构及变压器耦合的双运放功率放大设备，其特征在于，该设备还包括用于提供电源的外部双极性高压供电源。