高壓放大器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】一種高壓放大器，由輸入放大器、光電偶合電路、高壓橋路、反饋電路、電源等組成，可以組成同相放大器、反相放大器、電壓跟隨器等不同的電路結(jié)構(gòu)，在高壓元件耐壓1500V，高壓電源1250V的條件下，輸出電壓的峰-峰值最高可以達(dá)到2400V。
【專(zhuān)利說(shuō)明】高壓放大器
所屬【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種輸出擺幅接近2倍于電源電壓的高壓放大器，屬于通用電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]目前無(wú)論是用分立元件還是集成電路制造的高壓電子放大器，其輸出電壓的擺幅，受到元器件最高工作電壓的限制，為了工作安全可靠，實(shí)際的工作電壓只能設(shè)定在器件耐壓的85% -90%左右。以當(dāng)前技術(shù)水平最好、工作電壓最高的高壓放大模塊PA89的技術(shù)指標(biāo):最大電源電壓±600V，最大輸出電壓的擺幅1150V，已經(jīng)到了目前器件技術(shù)的極限，但在實(shí)際應(yīng)用中仍有以下不足:
[0003]1.輸出電壓擺幅仍不夠高，研制中的高阻計(jì)檢定儀，在輸入電路和輸出電路中各需要一個(gè)輸出電壓擺幅超過(guò)2300V的高壓放大器，超過(guò)PA89極限值I倍。
[0004]2.PA89是厚膜結(jié)構(gòu)的高壓模塊，其功率消耗達(dá)5W，即使用較大面積的散熱器，工作時(shí)的溫升仍然較高，引起輸入失調(diào)電壓漂移，以及輸入零電流增加。
[0005]3.價(jià)格昂貴，單價(jià)高達(dá)人民幣I萬(wàn)元左右。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的突破主要有以下兩點(diǎn):
[0007]1.一種新的電路結(jié)構(gòu):輸入放大器通過(guò)光電偶合電路驅(qū)動(dòng)高壓橋路，高壓區(qū)與低壓區(qū)隔離，輸入放器工作在常規(guī)的低電壓下，可以按照不同的要求選用各種性能優(yōu)異的運(yùn)算放大器，可以實(shí)現(xiàn)高精度、低漂移、超低輸入電流等技術(shù)指標(biāo)，光電偶合還隔斷了器件之間的熱傳導(dǎo)，放大器可靠性與穩(wěn)定性大大增加。
[0008]2.本發(fā)明采用一種電源隱性接地、滑動(dòng)連接的新技術(shù)，其特點(diǎn)高壓橋路的電源與信號(hào)輸入輸出電路是懸浮的，沒(méi)有固定的接地點(diǎn)，高壓電源的電源隱性接地點(diǎn)是由高壓橋路中的一個(gè)支路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而這個(gè)隱性接地端的電位是可以隨著放大器的輸出電壓高低而滑動(dòng)的，采用這個(gè)電路結(jié)構(gòu)，在不增加元器件耐壓的情況下，提高放大器輸出電壓峰-峰值I倍。
[0009]高壓橋路由4個(gè)高壓模塊構(gòu)成，其中高壓模塊I與高壓模塊2串聯(lián)后兩端分別連接高壓電源的正負(fù)極，中心點(diǎn)作為高壓放大器的輸出端；高壓模塊3與高壓模塊4串聯(lián)后兩端分別連接高壓電源的正負(fù)極，中心點(diǎn)連接輸入信號(hào)及輸出信號(hào)的公共接地端，由于放大器閉環(huán)工作時(shí)輸出端的阻抗很低，因此模塊3模塊4的中心點(diǎn)實(shí)際就是高壓電源的隱性接地端；光電偶合電路的輸出端連接4個(gè)高壓模塊，驅(qū)動(dòng)高壓模塊導(dǎo)通或截止，其中高壓模塊I與高壓模塊4聯(lián)動(dòng)，同時(shí)導(dǎo)通或截止，高壓模塊2與高壓模塊3聯(lián)動(dòng)，模塊2、3與模塊1、4的驅(qū)動(dòng)是反相的。
[0010]其工作原理如下:設(shè)放大器的高壓電源電壓E = (V+)-(V-)，當(dāng)高壓模塊I與高壓模塊4趨向?qū)〞r(shí)，模塊2與模塊3趨向截止，放大器輸出電壓上升，同時(shí)電源隱性接地端下移，相當(dāng)于提高了高壓橋路電源的正電壓，降低了高壓橋路電源的負(fù)電壓，在極限的情況下，電源的正電壓(V+) = E，負(fù)電壓(V-) = O，放大器輸出對(duì)地端的最高正電壓(Vo+) = E ；同理，當(dāng)高壓模塊I與高壓模塊4趨向截止導(dǎo)通時(shí)，模塊2與模塊3趨向?qū)?，放大器輸出電壓下降，同時(shí)電源隱性接地端上移，相當(dāng)于提高了高壓橋路電源的負(fù)電壓的絕對(duì)值，降低了高壓橋路電源的正電壓，在極限的情況下，電源的正電壓(V+) = 0，負(fù)電壓(V-) = -E,放大器輸出對(duì)地端的最低負(fù)電壓(Vo-) = -E ;放大器輸出最大擺幅為:
[0011](Vo+)-(Vo-) = E-(-E) = 2E，放大器輸出最大擺幅為在理想狀態(tài)下達(dá)到了 2倍電源電壓，而在實(shí)際電路中由于高壓模塊有飽和壓降，實(shí)際可用的輸出最大擺幅為2E-100V(比較保守的數(shù)值)。
[0012]本發(fā)明的有益效果:實(shí)現(xiàn)了放大器輸出擺幅2倍于電源電壓的效果，大大拓展了用現(xiàn)有元器件制作的高壓放大器的電壓工作范圍，用現(xiàn)有耐壓1500V的通用元器件，1250V的電源電壓，可實(shí)現(xiàn)最大輸出電壓峰-峰值2400V，超過(guò)目前工作電壓最高的模塊PA89的輸出電壓I倍以上，高壓元件耐壓留有余量，工作穩(wěn)定可靠，元器件成本也比較低。
[0013]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明:
[0014]圖1是本發(fā)明的電路原理框圖。
[0015]圖2是高壓模塊及驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)施例之一，用NPN高反壓管作高壓元件，光偶驅(qū)動(dòng)高反壓管的發(fā)射極，發(fā)射極驅(qū)動(dòng)的好處是消除了基極驅(qū)動(dòng)時(shí)高反壓管的密勒電容效應(yīng)，電路的頻率特性較好，而且高反壓管可以安全工作在Vcbo (集電極-基極反向耐壓)以下電壓，而Vcbo要遠(yuǎn)高于采用基極驅(qū)動(dòng)時(shí)動(dòng)時(shí)的耐壓Vceo (基極開(kāi)路，集電極-發(fā)射極耐壓)，其中El是5-10V左右的輔助電源，提供高反壓管基極的鉗位電壓。
[0016]圖3是高壓模塊及驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)施例之二，用N溝道場(chǎng)效應(yīng)管作高壓元件，光偶驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管的源極，N溝道場(chǎng)效應(yīng)管的最高耐壓不如NPN高反壓管，目前最高只有1200V，但是不需要額外的輔助電源是其優(yōu)點(diǎn)。
[0017]圖4是高壓模塊及驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)施例之三，用N溝道IGBT管作高壓元件，其優(yōu)點(diǎn)是IGBT管的耐壓可以做到很高，目前已經(jīng)有最高耐壓達(dá)4000V的IGBT管，用本發(fā)明的技術(shù)創(chuàng)新，可以做出輸出峰-峰值大于7500V的超高壓放大器，必將進(jìn)入一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。
[0018]圖5是本發(fā)明的實(shí)施例之一，輸入放大器是同相放大器電路形式。高反壓三極管
1、3各用一組獨(dú)立的輔助電源，高反壓三極管2、4共用一組輔助電源，輸入放大器的電源E2、E3必須對(duì)信號(hào)地端懸浮，E2、E3的中心點(diǎn)接運(yùn)算放大器的反相輸入端。穩(wěn)壓管DW的穩(wěn)壓值按以下原則選擇:當(dāng)運(yùn)算放大器的輸出端處于中點(diǎn)電位時(shí)，高反壓三極管1、2、3、4均處于微導(dǎo)通狀態(tài)，可以提高放大器的頻率特性，減少交越失真。電阻R1、R2構(gòu)成了電壓負(fù)反饋電路，決定高壓放大器的增益K = (R1+R2)/R1。
[0019]圖6是本發(fā)明的實(shí)施例之二，輸入放大器是反相放大器電路形式。輸入放大器的電源E2、E3的中心點(diǎn)接地，電阻Rl、R2構(gòu)成了電壓負(fù)反饋電路，決定高壓放大器的增益K=-R2/R1。
[0020]圖7是本發(fā)明的實(shí)施例之三，輸入放大器是電壓跟隨器電路形式，輸入放大器的電源E2、E3必須對(duì)信號(hào)地端懸浮，其中心點(diǎn)接高壓放大器的輸出端。

【具體實(shí)施方式】
[0021]高壓放大器電路的技術(shù)指標(biāo)主要取決于輸入放大器的運(yùn)算放大器，可以按不同的技術(shù)要求采用通用運(yùn)算放大器、精密運(yùn)算放大器、低噪聲運(yùn)算放大器、低漂移運(yùn)算放大器、高阻抗運(yùn)算放大器、低輸入電流運(yùn)算放大器等。在高阻計(jì)檢定儀中用到了本發(fā)明的2個(gè)實(shí)施例，用于儀表輸入部分的高電壓跟蹤器，就是本發(fā)明的實(shí)施例之三，輸入放大器是電壓跟隨器電路形式，由于要求輸入電流盡量小，采用了 0PA140場(chǎng)效應(yīng)管輸入的運(yùn)算放大器，其輸入端零電流僅為IpA ;儀表的高壓輸出放大器，就是本發(fā)明的實(shí)施例之二，輸入放大器是反相放大器電路形式，為了提高放大器精度，采用了 AD8675精密運(yùn)算放大器。
[0022]在這2個(gè)實(shí)施例中，高壓模塊的耐高壓元件為BU508高反壓三極管，光偶應(yīng)該盡量選用高速的，在本實(shí)施例中光偶的型號(hào)為6N136。
[0023]由于在高阻計(jì)檢定儀中對(duì)高壓放大器電流輸出的要求僅為3mA以?xún)?nèi)的小電流，所以在本實(shí)施例中采用光偶直接驅(qū)動(dòng)BU508高反壓三極管發(fā)射極的方法，在需要較大電流輸出的場(chǎng)合，可以外加三極管放大，增強(qiáng)光偶的驅(qū)動(dòng)能力。圖5、圖6、圖7中的電容C的作用是校正高壓放大器的工作相位，由于輸入放大器開(kāi)環(huán)增益一般都比較高，加上高壓模塊提供的額外增益，放大器前向通道的增益很高，閉環(huán)時(shí)相位裕量減少，容易發(fā)生不穩(wěn)定的自激現(xiàn)象，仔細(xì)調(diào)節(jié)電容C的容量，可以避免自激現(xiàn)象的發(fā)生，在本實(shí)施例中電容C的容量為0.022微法。
[0024]電路中的多組電源是懸浮隔離的，相互之間的絕緣強(qiáng)度必須達(dá)到高壓電源電壓I倍以上。
【權(quán)利要求】
1.一種高壓放大器，由輸入放大器、光電偶合電路、高壓橋路、反饋電路、電源等組成，其特征是:輸入放大器由運(yùn)算放大器、電阻電容等構(gòu)成，其輸出連接光電偶合電路；高壓橋路由4個(gè)高壓模塊構(gòu)成，其中模塊1、模塊2串聯(lián)后兩端分別連接高壓電源的正負(fù)極，中心點(diǎn)作為高壓放大器的輸出端；模塊3、模塊4串聯(lián)后兩端分別連接高壓電源的正負(fù)極，中心點(diǎn)連接輸入信號(hào)及輸出信號(hào)的公共接地端；光電偶合電路的輸出端連接4個(gè)高壓模塊；反饋電路連接高壓放大器的輸出端與輸入放大器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓放大器，其特征是:高壓模塊由NPN高反壓三極管構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓放大器，其特征是:高壓模塊由N溝道高反壓場(chǎng)效應(yīng)管、電阻、二極管等構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓放大器，其特征是:高壓模塊由N溝道IGBT高反壓管、電阻、二極管等構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓放大器，其特征是:輸入放大器采用同相放大器電路結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓放大器，其特征是:輸入放大器采用反相放大器電路結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器，其特征是:輸入放大器采用電壓跟隨器電路結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】H03F1/30GK104052411SQ201310083963
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2013年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月14日
【發(fā)明者】黃以安 申請(qǐng)人:上海太歐電子有限公司