專利名稱：低噪聲高壓放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及高壓放大器，具體是一種低噪聲高穩(wěn)定輸出的高壓放大器。
背景技術(shù)：
高壓放大器是一種用于開環(huán)或閉環(huán)控制系統(tǒng)中的精密電子儀器。它輸出可調(diào)節(jié)的直流高壓或輸出偏置高壓與放大的函數(shù)信號(hào)疊加的高壓信號(hào)，可用于量子光學(xué)領(lǐng)域中的穩(wěn)頻、鎖腔或作為高壓直流電源等。現(xiàn)有技術(shù)中，如國(guó)內(nèi)中科院光電技術(shù)研究所生產(chǎn)的GD-I型的高壓放大器，國(guó)外 U. S. ABurleigh Instrument, inc.生產(chǎn) burleigh MODEL PZ-70 型的高壓放大器等。上述高壓放大器包括GAIN信號(hào)緩沖、BIAS信號(hào)緩沖、兩信號(hào)疊后輸入反相放大器，再將反相放大器的輸出信號(hào)輸入驅(qū)動(dòng)器，去推動(dòng)放大器，放大器的輸出信號(hào)輸入末級(jí)功放，末級(jí)功放所提直流高壓或直流高壓調(diào)制的函數(shù)信號(hào)送至高壓放大器輸出端，線性直流穩(wěn)壓電源給放大器和末級(jí)功放提供高壓穩(wěn)壓電源，高壓放大器在放大模式下將直流高壓調(diào)制函數(shù)信號(hào)輸出。直流高壓從0 1000VDC任意調(diào)節(jié)，函數(shù)信號(hào)輸出從0 500Vpp任意調(diào)節(jié)。但是，它們的輸出端(HV OUT)噪聲電壓約50mV，在某些高精度穩(wěn)頻、鎖腔系統(tǒng)中，由于其輸出噪聲電壓太大，而不能滿足實(shí)用要求。特別當(dāng)激光器在穩(wěn)頻或鎖腔時(shí)調(diào)制信號(hào)須經(jīng)主高壓放大回路，容易造成輸出信號(hào)的信噪比下降。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種低噪聲高壓放大器，這種放大器輸出端的噪聲小于 IOmV,頻率相應(yīng)更加平坦，可用于高精度穩(wěn)頻系統(tǒng)和鎖腔系統(tǒng)中，也可用于其它要求低噪聲高電壓的場(chǎng)合。本實(shí)用新型提供的一種低噪聲高壓放大器，包括GAIN信號(hào)調(diào)節(jié)、BIAS調(diào)節(jié)跟隨器、加法器、電平搬移、末級(jí)功放、低壓直流穩(wěn)壓電源、高壓直流電源、高壓直流電源控制和調(diào)制信號(hào)耦合器；輸入信號(hào)經(jīng)過GAIN調(diào)節(jié)后，與BIAS調(diào)節(jié)跟隨器的信號(hào)在加法器中相加， 送入電平搬移，之后再送入末級(jí)功放，末級(jí)功放輸出的高壓信號(hào)與調(diào)制信號(hào)耦合器輸出的調(diào)制信號(hào)疊加后輸出到負(fù)載；高壓直流電源為末級(jí)功放供電；低壓直流穩(wěn)壓電源為其它部分供電；高壓直流電源控制控制高壓電源的起停；所述的末級(jí)功放由兩個(gè)固定在散熱器上的N溝道高壓場(chǎng)效應(yīng)管連接組成，散熱器與主電路板分離并接地，從而有效降低了整機(jī)噪聲；在末級(jí)功放輸出端與加法器之間接有反饋電阻，并與反饋電阻并聯(lián)一支電容，使高壓放大器的頻率相應(yīng)更加平坦；所述的調(diào)制信號(hào)耦合器由一個(gè)電位器通過一支電容連接到一個(gè)運(yùn)算放大器的同相輸入端，運(yùn)算放大器的輸出端經(jīng)一支電容和一支電阻串連到末級(jí)功放的輸出端；這種設(shè)計(jì)解決了調(diào)制信號(hào)經(jīng)主放大回路造成輸出信號(hào)的信噪比下降的問題。所述的電平搬移由兩個(gè)高壓PNP型晶體管串聯(lián)組成，使Q2可在源極電壓為-360V 時(shí)可以正常工作，從而保證輸出電壓可達(dá)-350V +350V。在N溝道高壓場(chǎng)效應(yīng)管Q2的柵極與源極間并接了一個(gè)15-18V的穩(wěn)壓二極管D2，使高壓管GS極間不會(huì)有超過18V的電壓，從而保證了該管的安全工作。與現(xiàn)有技術(shù)相比本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和效果本實(shí)用新型采用高壓直流電源控制控制高壓電源的起停，當(dāng)?shù)蛪褐绷鞣€(wěn)壓電源工作異常時(shí)，高壓電源無法啟動(dòng)，從而可以保護(hù)前端低壓器件不被高壓損壞，也保證了在開關(guān)機(jī)時(shí)沒有大的電壓波動(dòng)出現(xiàn)，從而保證證了負(fù)載的安全、穩(wěn)定可靠的工作；本實(shí)用新型中末級(jí)功放采用N溝道高壓場(chǎng)效應(yīng)管，因場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)電機(jī)理為多子導(dǎo)電，從而有效降低了整機(jī)噪聲；此外，輸出N溝道高壓場(chǎng)效應(yīng)管是作為恒流源工作，在輸出端發(fā)生短路故障不會(huì)造成本機(jī)的損壞，從而保證該機(jī)工作更加安全可靠。本實(shí)用新型中調(diào)制信號(hào)耦合器采用運(yùn)算放大器U4構(gòu)成電壓跟隨器，并通過電阻 R24和電容C20將調(diào)制信號(hào)耦合至高壓輸出端，避免了調(diào)制信號(hào)經(jīng)主放大回路造成輸出信號(hào)的信噪比下降。本實(shí)用新型低噪聲高壓放大器輸出電壓擺幅士350V，穩(wěn)定性達(dá)到士0. IV (8小時(shí)內(nèi))，噪聲電壓< 5mVpp?？捎糜诟呔确€(wěn)頻系統(tǒng)和鎖腔系統(tǒng)中，也可用于其它要求低噪聲高電壓的場(chǎng)合。

圖1是本實(shí)用新型低噪聲高壓放大器電路結(jié)構(gòu)框圖。圖中=I-GAIN信號(hào)調(diào)節(jié)， 2-BIAS調(diào)節(jié)跟隨器，3-加法器，4-電平搬移，5-末級(jí)功放，6-低壓直流穩(wěn)壓電源，7-高壓直流電源，8-高壓直流電源控制，9-調(diào)制信號(hào)耦合器。圖2是本實(shí)用新型低噪聲高壓放大器電路原理圖。圖3是本實(shí)用新型低噪聲高壓放大器的高壓直流電源控制8的電路原理圖。
具體實(shí)施方式
圖1、圖2和圖3所示的是本實(shí)用新型的一種低噪聲高壓放大器的具體實(shí)施方式
。圖1所示的是本實(shí)用新型低噪聲高壓放大器電路結(jié)構(gòu)框圖，它包括GAIN信號(hào)調(diào)節(jié) 1、BIAS調(diào)節(jié)跟隨器2、加法器3、電平搬移4、末級(jí)功放5、低壓直流穩(wěn)壓電源6、高壓直流電源7、高壓直流電源控制8和調(diào)制信號(hào)耦合器9 ；輸入信號(hào)經(jīng)過GAIN信號(hào)調(diào)節(jié)1后，與BIAS 調(diào)節(jié)跟隨器2的信號(hào)在加法器3中相加，送入電平搬移4，之后再送入末級(jí)功放5，末級(jí)功放 5輸出高壓信號(hào)；高壓直流電源7為末級(jí)功放5供電；低壓直流穩(wěn)壓電源6為其它部分供電； 高壓直流電源控制8控制高壓電源的起停。圖2是本實(shí)用新型低噪聲高壓放大器電路原理圖，其中包括電位器Sl構(gòu)成GAIN 信號(hào)調(diào)節(jié)1，電位器P0T2和運(yùn)算放大器Ul構(gòu)成BIAS調(diào)節(jié)跟隨器2，運(yùn)算放大器U2構(gòu)成加法器3，PNP型晶體管Ql和Q3組成電平搬移4，N溝道高壓場(chǎng)效應(yīng)管Q2和Q4組成末級(jí)功放 5 ；電位器Sl的1端連接輸入信號(hào)，Sl的滑動(dòng)端接加法器U2的反相輸入端，P0T2滑動(dòng)端接入U(xiǎn)l的同相輸入端，由Ul跟隨輸出偏置信號(hào)，該偏置信號(hào)接入U(xiǎn)2的同相輸入端，加法器輸出信號(hào)接入電平搬移Ql的發(fā)射極，電平搬移輸出信號(hào)由Q3集電極接入末極功放晶體管Q2 的柵極，由Q4源極經(jīng)電阻R22和R23輸出高壓信號(hào)；Q2和Q4固定在散熱器上，散熱器與主電路板分離并接地。在末級(jí)功放5輸出端與加法器3的U2之間接有反饋電阻R15，并與R15并聯(lián)一支
4電容C14，使高壓放大器的頻率相應(yīng)更加平坦。在高壓N溝道場(chǎng)效應(yīng)管Q2的G極與S極間并接了一個(gè)15V的穩(wěn)壓二極管D2，使高壓管GS極間不會(huì)有超過15V的電壓，從而保證了該管的安全工作。末級(jí)功放管Q4與R16、R22和Dl組成了恒流源電路，其輸出電流限制在IOmA左右的范圍，這樣在輸出端就無需再加限流保護(hù)電路。在輸出端發(fā)生短路故障不會(huì)造成本機(jī)的損壞，從而保證該機(jī)工作更加安全可靠。調(diào)制信號(hào)耦合器9由POT通過C21連接到U4的同相輸入端，U4的輸出端經(jīng)C20和 R24串連到末級(jí)功放5的輸出端BNC2，該設(shè)計(jì)避免了調(diào)制信號(hào)經(jīng)主放大回路造成輸出信號(hào)的信噪比下降。圖3是本實(shí)用新型低噪聲高壓放大器的高壓直流電源控制8電路原理圖，高壓直流電源7是士 360V、高壓直流電源控制8由光控雙向硅0C_TRI_1、0C_TRI_2、運(yùn)算放大器 JlA和JlB組成。低壓電源士 12V分別接JlA的同相輸入端和JlB的反相輸入端，JlA和 JlB的輸出分別接光控雙向硅0C_TRI_1、0C_TRI_2的1端控制高壓電源的輸出。本實(shí)用新型低噪聲高壓放大器的低壓直流穩(wěn)壓電源6是士12V，為系統(tǒng)中所有的運(yùn)算放大器供電。由圖2、圖3可以看出，當(dāng)?shù)蛪弘娫词?12V沒有達(dá)到額定值時(shí)，運(yùn)算放大器JlA和 JlB的輸出為負(fù)，光控雙向硅0C_TRI_1和0C_TRI_2關(guān)斷，輸出高壓電源電壓為0，從而保護(hù)低壓電路部分；在電路中使用了 N溝道場(chǎng)效應(yīng)管，因場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)電機(jī)理為多子導(dǎo)電，從而降低了整機(jī)噪聲。本實(shí)用新型低噪聲高壓放大器經(jīng)過樣機(jī)測(cè)試達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)輸出電壓擺幅士350V，穩(wěn)定性達(dá)到士0. IV(8小時(shí)內(nèi))，噪聲電壓< 5mVpp0
權(quán)利要求1.一種低噪聲高壓放大器，其特征在于，包括GAIN信號(hào)調(diào)節(jié)(1)、BIAS調(diào)節(jié)跟隨器 (2)、加法器(3)、電平搬移(4)、末級(jí)功放(5)、低壓直流穩(wěn)壓電源(6)、高壓直流電源(7)、 高壓直流電源控制(8)和調(diào)制信號(hào)耦合器(9)；輸入信號(hào)經(jīng)過GAIN信號(hào)調(diào)節(jié)(1) 后，與 BIAS調(diào)節(jié)跟隨器(2)的信號(hào)在加法器(3)中相加，送入電平搬移G)，之后再送入末級(jí)功放 (5)，末級(jí)功放( 輸出的高壓信號(hào)，與調(diào)制信號(hào)耦合器(9)輸出的調(diào)制信號(hào)疊加后輸出到負(fù)載；高壓直流電源(7)為末級(jí)功放( 供電；低壓直流穩(wěn)壓電源(6) 為其它部分供電； 高壓直流電源控制(8)控制高壓電源的起停；所述的末級(jí)功放(5)由兩個(gè)固定在散熱器上的N溝道高壓場(chǎng)效應(yīng)管連接組成，散熱器與主電路板分離并接地；在末級(jí)功放( 輸出端與加法器(3)之間接有反饋電阻，并與反饋電阻并聯(lián)一支電容；所述的調(diào)制信號(hào)耦合器(9)由電位器通過電容連接到運(yùn)算放大器的同相輸入端，運(yùn)算放大器的輸出端經(jīng)電容和電阻串連到末級(jí)功放(5)的輸出端。
2.如權(quán)利要求1所述的低噪聲高壓放大器，其特征在于，所述的電平搬移(4)由兩個(gè)高壓PNP型晶體管串聯(lián)組成。
3.如權(quán)利要求1所述的低噪聲高壓放大器，其特征在于，在N溝道高壓場(chǎng)效應(yīng)管的柵極與源極間并接了一個(gè)15-18V的穩(wěn)壓二極管。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種低噪聲高壓放大器，包括GAIN信號(hào)調(diào)節(jié)(1)、BIAS調(diào)節(jié)跟隨器(2)、加法器(3)、電平搬移(4)、末級(jí)功放(5)、低壓直流穩(wěn)壓電源(6)、高壓直流電源(7)、高壓直流電源控制(8)和調(diào)制信號(hào)耦合器(9)；所述的末級(jí)功放(5)由兩個(gè)N溝道高壓場(chǎng)效應(yīng)管連接組成；所述的調(diào)制信號(hào)耦合器(9)由一個(gè)電位器通過一支電容連接到一個(gè)運(yùn)算放大器的同相輸入端，運(yùn)算放大器的輸出端經(jīng)一支電容和一支電阻串連到末級(jí)功放(5)的輸出端。高壓放大器輸出電壓擺幅±350V，穩(wěn)定性達(dá)到±0.1V(8小時(shí)內(nèi))，噪聲電壓＜5mVpp。可用于高精度穩(wěn)頻系統(tǒng)和鎖腔系統(tǒng)中，也可用于其它要求低噪聲高電壓的場(chǎng)合。
文檔編號(hào)H03F1/52GK202034947SQ20112009708
公開日2011年11月9日 申請(qǐng)日期2011年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月30日
發(fā)明者張寬收, 李鳳琴, 王尚廉, 王文哲, 鄭耀輝 申請(qǐng)人:山西大學(xué)