LM386是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)。考慮到水聲信號(hào)大多是在音頻范圍內(nèi)，因此LM386適合作為小功率主動(dòng)聲吶發(fā)射和接收電路中的功率放大器。

　　LM386引腳圖及作用

　　LM386有8個(gè)引腳，其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　LM386與通用型集成運(yùn)放相類似，它是一個(gè)三級(jí)放大電路。由圖1可知，第一級(jí)為差分放大電路，V1和V3，V2和V4分別構(gòu)成復(fù)合管，作為差分放大電路的放大管；V5，V6組成鏡像電流源，作為V1和V2的有源負(fù)載；信號(hào)從V3和V4管的基極輸入，從V2管的集電極輸出，為雙端輸入、單端輸出的差分電路。鏡像電流源，它可使單端輸出電路的增益近似等于雙端輸出電路的增益。第二級(jí)為共射放大電路，V7為放大管，恒流源作為有源負(fù)載，以增大放大倍數(shù)。第三級(jí)中的V8和V9管復(fù)合成PNP型管，與NPN型管V10構(gòu)成準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)。二極管VD1和VD2為輸出級(jí)提供適合的偏置電壓，可以消除交越失真。

　　聲吶傳感器

　　聲吶傳感器的心臟是壓電陶瓷換能器。壓電陶瓷換能器的工作原理為：對(duì)壓電陶瓷片施加壓力或拉力，其兩端會(huì)產(chǎn)生極性相反的電荷，通過回路而形成電流，這種效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)。將這種壓電陶瓷做成的聲吶傳感器放在水中，在聲波的作用下，聲吶傳感器兩端便會(huì)有感應(yīng)電荷產(chǎn)生。并且，壓電效應(yīng)是可逆的。在主動(dòng)聲吶上施加一個(gè)交變電壓，壓電陶瓷片就會(huì)振動(dòng)，發(fā)射出超聲波。

　　聲吶按工作方式可分為主動(dòng)聲吶、被動(dòng)聲吶。主動(dòng)聲吶是利用發(fā)射電路產(chǎn)生周期性變化的交變信號(hào)或脈沖信號(hào)，在交變信號(hào)或脈沖信號(hào)的作用下，聲吶傳感器發(fā)射出超聲波，超聲波在水中傳播時(shí)，遇到障礙物就會(huì)發(fā)生反射，反射波信號(hào)經(jīng)聲吶接收電路接收，通過信號(hào)處理后能測(cè)量出障礙物的位置和距離。被動(dòng)聲吶是利用聲吶接收電路接收水中物體發(fā)出的超聲波來測(cè)定物體的方位。

　　主動(dòng)聲吶發(fā)射電路和接收電路的設(shè)計(jì)

　　研究主動(dòng)聲吶傳感器需要考慮的3個(gè)要素為：中心頻率、最大發(fā)射功率、探測(cè)距離。

　　（1）主動(dòng)聲吶的中心頻率選擇與該系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)（如探測(cè)距離）、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和信道的特性有關(guān)。一般情況下，主動(dòng)探測(cè)聲吶系統(tǒng)的工作頻率為20~60kHz。對(duì)近程測(cè)量，工作頻率可以取高一些；對(duì)遠(yuǎn)程測(cè)量，工作頻率不能取得太高，因?yàn)閭鞑p失隨頻率增高而增大。本文所研究的主動(dòng)聲吶傳感器的中心頻率為40kHz。

　　（2）最大發(fā)射功率為主動(dòng)聲吶發(fā)射電路的輸出功率，即主動(dòng)聲吶傳感器輸入端的電功率。最大發(fā)射功率越大，探測(cè)距離越遠(yuǎn)。本文研究小功率主動(dòng)聲吶測(cè)距，探測(cè)距離為20～200m。經(jīng)LM386放大后的輸出功率可以滿足本文探測(cè)要求。

　　1、主動(dòng)聲吶發(fā)射電路

　　目前，比較常用的聲吶發(fā)射信號(hào)有正余弦、單頻矩形脈沖、線性調(diào)頻脈沖信號(hào)等。聲吶發(fā)射信號(hào)波形的選擇直接影響到系統(tǒng)的目標(biāo)探測(cè)能力，采用何種形式的信號(hào)，應(yīng)根據(jù)探測(cè)聲吶系統(tǒng)的任務(wù)目的來決定。本文只研究小功率主動(dòng)聲吶測(cè)距，因此選擇正弦信號(hào)作為小功率主動(dòng)聲吶的發(fā)射信號(hào)。本文研究的主動(dòng)聲吶發(fā)射電路如圖2所示。發(fā)射電路由RC正弦波振蕩電路和功率放大電路組成。

　　1）正弦信號(hào)源的產(chǎn)生

　　（1）RC橋式振蕩電路。

　　它又被稱為RC串并聯(lián)振蕩電路，一般用于產(chǎn)生頻率1Hz～1MHz的正弦波信號(hào)。本文研究的聲吶傳感器的中心頻率為40kHz，RC橋式振蕩電路可以滿足要求。因此，本文由集成運(yùn)算放大器μA741和RC選頻網(wǎng)絡(luò)組成RC橋式振蕩電路。由圖2可知，由C1，R3，C2，R4構(gòu)成的RC選頻網(wǎng)絡(luò)跨接在μA741的同相輸入端和輸出端，構(gòu)成正反饋回路；而在μA741的反相輸入端和輸出端接入由RP1，R2，VD1，VD2組成的穩(wěn)幅負(fù)反饋電路。其中，二極管VD1，VD2起穩(wěn)幅作用。當(dāng)振蕩電路（μA741的6腳）輸出電壓波形為負(fù)半周時(shí)，二極管VD2導(dǎo)通，其正向?qū)?a target="_blank">電阻rD與R2電阻并聯(lián)。若輸出負(fù)電壓越大，并聯(lián)后的電阻就越小，從而使負(fù)反饋加強(qiáng)，閉環(huán)增益下降，達(dá)到穩(wěn)幅的作用。當(dāng)輸出電壓波形為正半周時(shí)，二極管VD1導(dǎo)通，其穩(wěn)幅原理如前所述。

　　（2）振蕩頻率的設(shè)定。

　　由于本文所研究的主動(dòng)聲吶傳感器的工作中心頻率40kHz，選取電容C=0.01μF后，由振蕩頻率公式

　　計(jì)算出電阻R3=R4=400Ω

　　2）功率放大電路

　　由圖1的LM386內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)可知：電阻R7從輸出端連接到V2的發(fā)射極，形成反饋通路，并與R5和R6構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，從而引入深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使整個(gè)電路具有穩(wěn)定的電壓增益。

　　當(dāng)引腳1和8之間開路時(shí)，由于在交流通路中V1管的發(fā)射極近似為地，R5和R6上的動(dòng)態(tài)電壓為反饋電壓，近似等于同相輸入端的輸入電壓。即為二分之一差模輸入電壓，則有

　　反饋系數(shù)

　　所以電壓放大倍數(shù)為

　　由于R7垌》（R5+R6），所以

　　將R5，R6，R7的數(shù)據(jù)代入式（5），可得Au≈20。

　　當(dāng)圖1的引腳1和8之間外接電阻R時(shí)，則

　　當(dāng)圖1的引腳1和8間對(duì)交流信號(hào)相當(dāng)于短路時(shí)

　　將R5和R7的數(shù)值代入式（7），可得Au≈200。所以，當(dāng)引腳1和8之間外接不同電阻時(shí)，Au的調(diào)節(jié)范圍為20～200。

　　由電路圖2可知，在小功率主動(dòng)聲吶發(fā)射電路中，LM386引腳1和8之間外接電阻R=20kΩ，根據(jù)式（6），功放的電壓放大倍數(shù)為Au≈21.21。

　　當(dāng)發(fā)射電路的負(fù)載RL=20Ω時(shí)，發(fā)射電路最大不失真輸出電壓的幅值為Uo≈11.7V。則發(fā)射電路的最大輸出功率為

　　在忽略靜態(tài)損耗的情況下，效率為

　　此最大輸出功率滿足研究的小功率主動(dòng)聲吶探測(cè)的功率要求。R5，C7組成相位補(bǔ)償電路，其作用是避免負(fù)載產(chǎn)生過電壓而擊穿芯片內(nèi)的功率放大管。電路由單電源供電，故為OTL功放電路。輸出端（引腳5）應(yīng)外接輸出電容后再接負(fù)載。

　　2、接收電路中的功率放大電路

　　小功率主動(dòng)聲吶接收電路如圖3所示。接收電路由差分放大電路、濾波電路和功率放大電路組成。

　　主動(dòng)聲吶傳感器接收發(fā)射聲吶發(fā)射出的超聲波，經(jīng)壓電效應(yīng)將其接收到的超聲波轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。此時(shí)接收聲吶傳感器輸出電壓為毫伏級(jí)，經(jīng)差分放大和濾波后，在遠(yuǎn)距離測(cè)量中輸出信號(hào)的能量仍然比較弱，必須對(duì)其進(jìn)行功率放大。

　　小功率集成功率放大器LM386輸入可達(dá)毫伏級(jí)、電壓放大倍數(shù)20～200。LM386應(yīng)用于小功率主動(dòng)聲吶接收電路，電路簡(jiǎn)單噪聲影響小，因此可減少受外界電磁波干擾的面積或避免干擾。LM386頻帶寬達(dá)300kHz，可以對(duì)接收電路輸出的信號(hào)進(jìn)行放大。

　　由圖3（b）圖可知，LM386的引腳1和8之間外接的電阻RP1=1.8kΩ，由式（6）得電壓放大倍數(shù)為Au≈32.68。R6，C12組成相位補(bǔ)償電路的作用同發(fā)射電路，為了避免負(fù)載產(chǎn)生過電壓而擊穿芯片內(nèi)功率放大管。電路同樣采用單電源供電，輸出端（引腳5）應(yīng)外接輸出電容后再接負(fù)載。

　　LM386應(yīng)用于小功率主動(dòng)聲吶發(fā)射電路和接收電路中，需要考慮輸入端輸入信號(hào)的強(qiáng)弱，適當(dāng)調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的幅值，使其輸出端獲得最大不失真的信號(hào)，為聲吶信號(hào)的處理提供比較理想的信號(hào)源。

　　結(jié)論

　　本文介紹了小功率主動(dòng)聲吶發(fā)射電路和接收電路的設(shè)計(jì)，對(duì)集成功率放大器LM386在發(fā)射電路和接收電路中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并對(duì)正弦信號(hào)源的產(chǎn)生、接收電路中的差分放大電路及模擬濾波電路做了詳細(xì)的闡述。在水下潛艇模型自主導(dǎo)航課題研究起步階段，本試驗(yàn)在空氣介質(zhì)中小功率主動(dòng)聲吶發(fā)射端和接收端相距200m，用示波器觀察到聲吶傳感器輸入端和接收電路經(jīng)LM386放大后的波形，如圖4所示。

　　本文介紹的小功率主動(dòng)聲吶發(fā)射和接收電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。音頻集成功率放大器LM386應(yīng)用于小功率主動(dòng)聲吶發(fā)射電路和接收電路中，具有一定通用性和可擴(kuò)展性。當(dāng)小功率主動(dòng)聲吶發(fā)射信號(hào)源形式改變時(shí)，LM386同樣適用。本設(shè)計(jì)可以為研究小功率主動(dòng)聲吶探測(cè)的信號(hào)的處理提供簡(jiǎn)易的信號(hào)源。