一種能抑制高共模電壓的直流電壓放大器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種能抑制高共模電壓的直流電壓放大器，包括輸入線圈、反饋線圈、輸出線圈、斬波開關(guān)、交流帶通放大器、解調(diào)器、低通濾波放大器、反饋電阻以及控制器；輸入線圈通過輸入信號斬波開關(guān)與輸入信號相連接；反饋線圈通過反饋信號斬波開關(guān)與反饋電阻R2相連接；輸出線圈的同名端與交流帶通放大器的正向輸入端連接，輸出線圈的另一端與交流帶通放大器的負向輸入端連接；交流帶通放大器的輸出端與解調(diào)器的輸入端連接，解調(diào)器的輸出端與低通濾波放大器的輸入端連接，輸出電壓Vo經(jīng)過反饋電阻R1和反饋電阻R2分壓后與反饋線圈相連接；本發(fā)明利用光耦合和磁耦合，使得放大器具有很高的共模電壓承受能力和很高的共模電壓抑制能力。
【專利說明】
-種能抑制高共模電壓的直流電壓放大器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及放大器技術(shù)，特別是一種高共模電壓抑制技術(shù)，電壓放大電路具有很 高的共模電壓承受能力和很高的共模電壓抑制能力。
【背景技術(shù)】
[0002] 在火箭發(fā)動機試驗等現(xiàn)場測試環(huán)境，測試設(shè)備距離被測信號距離長，共模電壓高， 要求測量設(shè)備和校準設(shè)備具有很高的共模電壓適應(yīng)能力和抑制能力。在航天液體火箭發(fā)動 機現(xiàn)場試驗系統(tǒng)的校準裝置研制中，要求放大器的直流共模電壓適應(yīng)能力為400V，直流共 模電壓抑制比達到180地;要求放大器的交流共模電壓適應(yīng)能力為200V，交流共模電壓抑制 比達到150dB。而一般放大器的共模電壓抑制能力約為IOOdB,-些高共模抑制放大器的直 流共模電壓抑制比可W達到120~150dB，交流共模電壓抑制比可W達到100~120dB，共模 電壓只能達到幾伏，不能滿足航天液體火箭發(fā)動機現(xiàn)場試驗系統(tǒng)的校準需求。
[0003] 如圖1所示為現(xiàn)有的一種放大器結(jié)構(gòu)示意圖，該放大器采用儀用運算放大器的差 分放大模式，具有較高的共模抑制能力，共模電壓抑制比可W達到100地，但是共模電壓適 應(yīng)范圍不能超過供電電源電壓范圍，一般為十幾伏。
[0004] 如圖2所示，現(xiàn)有的一些運算放大器，采用差分輸入、用恒流源替代高值電阻的方 法W及激光調(diào)整對稱性的工藝方法，雖然大大提高了放大器的共模抑制比，最高直流共模 電壓抑制比可W達到150地，但是共模電壓適應(yīng)范圍不能超過供電電源電壓范圍，一般為十 幾伏。
[0005] 總之，現(xiàn)有放大器的共模電壓適應(yīng)能力和共模電壓抑制能力，均不能滿足航天液 體火箭發(fā)動機現(xiàn)場試驗系統(tǒng)的校準需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了解決現(xiàn)有放大器的共模電壓適應(yīng)能力和共模電壓抑制能力不能滿足航天液 體火箭發(fā)動機現(xiàn)場試驗系統(tǒng)的校準需求的問題，本發(fā)明提供一種高共模電壓抑制比放大 器。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[000引一種能抑制高共模電壓的直流電壓放大器，其特殊之處在于:包括輸入線圈4、反 饋線圈5、輸出線圈6、環(huán)形高磁導率磁忍15、輸入信號斬波開關(guān)(SI, S2)、反饋信號斬波開關(guān) (S3，S4)、交流帶通放大器9、解調(diào)器11、低通濾波放大器12、反饋電阻RU反饋電阻R2W及控 制器7,所述輸入線圈4通過高絕緣材料隔離，繞制在高磁導率磁忍15上;輸入線圈通過輸入 信號斬波開關(guān)(Sl，S2)與輸入信號相連接；
[0009] 所述反饋線圈通過高絕緣材料隔離，繞制在高磁導率磁忍上;反饋線圈通過反饋 信號斬波開關(guān)(S3，S4)與反饋電阻R2相連接；
[0010] 所述輸入線圈和反饋線圈的應(yīng)數(shù)相等，均為m應(yīng)，輸入線圈4的同名端與輸入信號 斬波開關(guān)Sl連接，反饋線圈的同名端與反饋信號斬波開關(guān)S3連接；
[0011] 所述輸出線圈通過高絕緣材料隔離，繞制在高磁導率磁忍上，輸出線圈的應(yīng)數(shù)為 m應(yīng)，n2>m，所述輸出線圈的同名端與交流帶通放大器9的正向輸入端連接，所述輸出線圈 4的另一端與交流帶通放大器9的負向輸入端連接;所述交流帶通放大器9的輸入端與輸出 線圈相連接，所述交流帶通放大器9的輸出端與解調(diào)器11的輸入端連接，所述解調(diào)器11的輸 出端與低通濾波放大器12的輸入端連接，所述低通濾波放大器12的輸出端輸出電壓V。，輸 出電壓V。經(jīng)過反饋電阻Rl和反饋電阻R2分壓后與反饋線圈相連接；
[0012] 所述控制器產(chǎn)生3個控制信號，控制信號一控制輸入信號斬波開關(guān)Sl和反饋信號 斬波開關(guān)S4同步動作;控制信號二與控制信號一反相，控制輸入信號斬波開關(guān)S2和反饋信 號斬波開關(guān)S3同步動作;控制信號=與控制信號一同相，控制解調(diào)器工作。
[0013] 交流帶通放大器9的通帶中屯、頻率與斬波開關(guān)工作頻率相同。
[0014] 輸入信號斬波開關(guān)控制電源由光電池一提供;光電池一的低端與輸入線圈的中點 連接。
[0015] 反饋信號斬波開關(guān)控制電源由光電池二提供;光電池二的低端與反饋線圈的中點 連接。
[0016] 3個控制信號均采用光禪或者磁禪進行隔離。
[0017] 上述交流帶通放大器9和解調(diào)器11之間還設(shè)置有隔直電容C。
[001引本發(fā)明的技術(shù)效果如下：
[0019] 1、本發(fā)明利用光禪合和磁禪合，進行輸入信號、控制信號、反饋信號能量的傳遞， 實現(xiàn)輸入回路與其它多路的高度絕緣，使得放大器具有很高的共模電壓承受能力和很高的 共模電壓抑制能力。
[0020] 2、采用本發(fā)明的技術(shù)方案，具有很好的共模電壓適應(yīng)能力和共模電壓抑制能力。 共模電壓>l〇〇V，共模電壓抑制比>150地。
【附圖說明】
[0021] 圖1為現(xiàn)有儀用運算放大器的差分放大器。
[0022] 圖2為現(xiàn)有放大器提高共模電壓抑制能力原理圖。
[0023] 圖3為實施本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)原理圖。附圖標記列示如下：1-儀用運算放大器的差 分放大模式;2-差分輸入端;3-恒流源;4-輸入線圈；5-反饋線圈；6-輸出線圈；7-光電隔離 模塊;9-交流帶通放大器；11-解調(diào)器；12-低通濾波放大器；15-環(huán)形高磁導率磁忍；16-放大 器輸入端;17-放大器輸出端，18-光電池一，19-光電池二。
【具體實施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖3對本發(fā)明進行說明。
[0025] -種能抑制高共模電壓的直流電壓放大器，包括放大器輸入端16、輸入線圈4、反 饋線圈5、輸出線圈6、環(huán)形高磁導率磁忍15、輸入信號斬波開關(guān)(SI, S2)、反饋信號斬波開關(guān) (S3，S4)、交流帶通放大器9、解調(diào)器11、低通濾波放大器12、反饋電阻RU反饋電阻R2和低通 濾波放大器輸出端17。
[0026] 輸入線圈4通過高絕緣材料隔離，繞制在高磁導率磁忍上;輸入線圈通過輸入輸入 信號斬波開關(guān)(SI, S2)與輸入信號相連接，輸入信號斬波開關(guān)控制電源由光電池一提供;光 電池一的低端與輸入線圈的中點連接。
[0027] 反饋線圈通過高絕緣材料隔離，繞制在高磁導率磁忍上;反饋線圈通過反饋信號 斬波開關(guān)(S3，S4)與反饋電阻R2相連接，反饋信號斬波開關(guān)控制電源由光電池二提供;光電 池二的低端與反饋線圈的中點連接。
[0028] 控制器發(fā)出3個控制信號，控制信號一控制輸入信號斬波開關(guān)Sl和反饋信號斬波 開關(guān)S4同步動作（同時閉合或同時斷開）；控制信號二與控制信號一反相，控制輸入信號斬 波開關(guān)S2和反饋信號斬波開關(guān)S3同步動作?？刂菩盘?與控制信號一同相，控制解調(diào)器工 作。3個控制信號均采用光禪或者磁禪進行隔離。
[0029] 輸入線圈和反饋線圈的應(yīng)數(shù)相等，均為m應(yīng)，*號為同名端。
[0030] 輸出線圈通過高絕緣材料隔離，繞制在高磁導率磁忍上，輸出線圈應(yīng)數(shù)為m應(yīng)，ri2 >ni，n2/ni = ki，*號為同名端。
[0031] 交流帶通放大器9的輸入端與輸出線圈相連接，交流帶通放大器9的通帶中屯、頻率 與斬波開關(guān)工作頻率相同。交流帶通放大器則尋輸出線圈輸出的交流電壓放大k2倍，k2為交 流帶通放大器的放大系數(shù)，交流帶通放大器的輸出端經(jīng)過隔直電容與解調(diào)器11的輸入端相 連接。
[0032] 解調(diào)器與控制器7同步工作，將雙極性交流信號轉(zhuǎn)換為單極性的脈動信號。
[0033] 低通濾波放大器12的輸入端與解調(diào)器11的輸出端相連接，將單極性的脈動電壓信 號轉(zhuǎn)換為直流電壓信號，并放大k3倍;k3為低通濾波放大器的放大系數(shù)。
[0034] 低通濾波放大器12輸出端與反饋電阻Rl和放大器輸出端OUT相連接。放大器輸出 端的輸出電壓經(jīng)過反饋電阻Rl和反饋電阻R2分壓后與反饋線圈相連接。
[0035] 能抑制高共模電壓的放大器，經(jīng)過負反饋自動調(diào)節(jié)后，進入穩(wěn)定狀態(tài)，放大器輸出 端輸出電壓為：
[0036]
[0037] 圖3為實施本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)原理圖。如圖3所示，所發(fā)明的能抑制高共模電壓的 放大器包括放大器輸入端、輸入線圈、反饋線圈、輸出線圈、環(huán)形高磁導率磁忍、輸入信號斬 波開關(guān)、反饋信號斬波開關(guān)、交流帶通放大器、解調(diào)器、低通濾波放大器、反饋電阻RU反饋 電阻R2和放大器輸出端。輸入線圈通過高絕緣材料隔離，繞制在高磁導率磁忍上，并通過斬 波開關(guān)與輸入信號相連接，斬波開關(guān)控制電源由電池提供，電池的低端與輸入線圈的中點 連接。反饋線圈通過高絕緣材料隔離，繞制在高磁導率磁忍上，并通過斬波開關(guān)與反饋電阻 R2相連接，反饋線圈的斬波開關(guān)控制電源由另一個電池提供，電池的低端與反饋線圈的中 點連接。輸入線圈和反饋線圈的應(yīng)數(shù)相等，均為m應(yīng)，*號為同名端?？刂破靼l(fā)出3個控制信 號，控制信號Xl控制斬波開關(guān)Sl和S4同步動作（同時閉合或同時斷開）；控制信號x2與控制 信號Xl反相，控制斬波開關(guān)S2和S3同步動作?？刂菩盘杧3與控制信號1同相，控制解調(diào)器工 作。3個控制信號均采用光禪(或者磁禪)進行隔離。輸出線圈通過高絕緣材料隔離，繞制在 高磁導率磁忍上，斬波器控制電源由光電池二提供，光電池二的低端與反饋線圈的中點連 接;輸出線圈應(yīng)數(shù)為m應(yīng)，n2>m，n2/m = ki，*號為同名端?？刂破髋c斬波開關(guān)利用光電禪合 器(磁禪合器)傳遞控制信號，實現(xiàn)電路隔離。交流帶通放大器的輸入端與輸出線圈相連接， 通帶中屯、頻率與斬波開關(guān)工作頻率相同。交流帶通放大器將輸出線圈輸出的交流電壓放大 k2倍。交流帶通放大器的輸出端經(jīng)過隔直電容與解調(diào)器的輸入端相連接?？刂破骺刂平庹{(diào) 器與斬波器同步工作，將雙極性交流信號轉(zhuǎn)換為單極性的脈動信號，并通過相位控制實現(xiàn) 輸出端與輸入端同相。低通濾波放大器的輸入與解調(diào)器的輸出端相連接，將單極性的脈動 電壓信號轉(zhuǎn)換為直流電壓信號，并放大k3倍;低通濾波放大器輸出端與反饋電阻Rl和放大 器輸出端OUT相連接。放大器輸出端的輸出電壓經(jīng)過反饋電阻Rl和反饋電阻R2分壓后與反 饋線圈相連接。發(fā)明的能抑制高共模電壓的放大器，經(jīng)過負反饋自動調(diào)節(jié)后，進入穩(wěn)定狀 態(tài)，放大器輸出端輸出電壓為
[0038] 對本發(fā)明的進一步詳細說明如下：
[0039] 如圖3所示，在本實施例中輸入線圈和反饋線圈為2000應(yīng)，輸出線圈為10000應(yīng)，電 感量160mH，斬波開關(guān)工作頻率為100曲Z，輸入阻抗1 OOk Q。輸出線圈與輸入線圈的應(yīng)比kl 為10,交流放大器的噪聲降低10倍。交流帶通放大器在中屯、頻率附近的傳輸系數(shù)為IO3;解 調(diào)器的電壓傳遞系數(shù)為0.5;低通濾波放大器對于直流電壓傳遞系數(shù)為IO5;前向通道的電 壓傳遞系數(shù)為5X IO8;反饋電阻R2采用精密金屬錐電阻，阻值為9.99kQ ;反饋電阻Rl采用 精密金屬錐電阻，阻值為IOQ ;放大器放大倍數(shù)為1+999 = 1000。
[0040] 開環(huán)增益對閉環(huán)放大倍數(shù)的影響2X1(T9,可W忽略不計；
[0041] 輸入阻抗對閉環(huán)放大倍數(shù)的影響為:R2/Ri = 10 Q AOOkQ=IO-4;考慮到輸入阻抗 與線圈電感量和工作頻率有關(guān)，其值相對比較穩(wěn)定。因此，通過放大倍數(shù)校準后，只有輸入 阻抗的變化量影響閉環(huán)放大倍數(shù)。輸入阻抗的相對變化量《5/100,輸入阻抗變化對閉環(huán)放 大倍數(shù)的影響為R2/Ri X 5/100 = 5 X 10-6。
[0042] 交流放大器的共模抑制比為100地，供電電壓為±15V時的最大共模電壓為±14V。
[0043] 本實施方案中，輸入線圈與其它線圈的絕緣采用聚四氣乙締材料，直流絕緣電阻 >1〇12〇，耐壓>lkV;輸入線圈與其它線圈的交流絕緣阻抗^SXlO8Q，交流耐壓>500V; 直流共模電壓經(jīng)過絕緣電阻和反饋電阻R2的分壓，通過R2上的壓降對放大器產(chǎn)生共模影 響，因此，直流共模電壓抑制比為：
[0044] CMRRDC = 20Xlog(l〇i2/l〇) = 220(地）
[0045] 直流共模電壓適應(yīng)能力為化V;
[0046] 直交流共模電壓經(jīng)過絕緣交流阻抗和反饋電阻R2的分壓，通過R2上的交流電壓壓 降，對放大器產(chǎn)生交流共模影響。因此，交流共模電壓抑制比為：
[0047] CMRRac = 20 X log(3 X 10^/10) = 150(地）
[0〇4引交流共模電壓適應(yīng)能力為500V。
【主權(quán)項】
1. 一種能抑制高共模電壓的直流電壓放大器，其特征在于:包括輸入線圈（4)、反饋線 圈（5)、輸出線圈(6)、環(huán)形高磁導率磁芯（15)、輸入信號斬波開關(guān)S1、輸入信號斬波開關(guān)S2、 反饋信號斬波開關(guān)S3、反饋信號斬波開關(guān)S4、交流帶通放大器(9)、解調(diào)器(11)、低通濾波放 大器（12)、反饋電阻R1、反饋電阻R2以及控制器(7)，所述輸入線圈（4)通過高絕緣材料隔 離，繞制在高磁導率磁芯（15)上;輸入線圈通過輸入信號斬波開關(guān)(S1，S2)與輸入信號相連 接； 所述反饋線圈通過高絕緣材料隔離，繞制在高磁導率磁芯上；反饋線圈通過反饋信號 斬波開關(guān)S3、反饋信號斬波開關(guān)S4與反饋電阻R2相連接； 所述輸入線圈和反饋線圈的匝數(shù)相等，均為m匝，輸入線圈（4)的同名端與輸入信號斬 波開關(guān)S1連接，反饋線圈的同名端與反饋信號斬波開關(guān)S3連接； 所述輸出線圈通過高絕緣材料隔離，繞制在高磁導率磁芯上，輸出線圈的匝數(shù)為n2匝， n2>m，所述輸出線圈的同名端與交流帶通放大器(9)的正向輸入端連接，所述輸出線圈(4) 的另一端與交流帶通放大器(9)的負向輸入端連接;所述交流帶通放大器(9)的輸出端與解 調(diào)器（11)的輸入端連接，所述解調(diào)器（11)的輸出端與低通濾波放大器（12)的輸入端連接， 所述低通濾波放大器（12)的輸出端輸出電壓V。，輸出電壓V。經(jīng)過反饋電阻R1和反饋電阻R2 分壓后與反饋線圈相連接； 所述控制器產(chǎn)生3個控制信號，控制信號一控制輸入信號斬波開關(guān)S1和反饋信號斬波 開關(guān)S4同步動作;控制信號二與控制信號一反相，控制輸入信號斬波開關(guān)S2和反饋信號斬 波開關(guān)S3同步動作;控制信號三與控制信號一同相，控制解調(diào)器工作。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的能抑制高共模電壓的直流電壓放大器，其特征在于:所述交流 帶通放大器(9)的通帶中心頻率與斬波開關(guān)工作頻率相同。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的能抑制高共模電壓的直流電壓放大器，其特征在于： 輸入信號斬波開關(guān)控制電源由光電池一提供；光電池一的低端與輸入線圈的中點連 接。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的能抑制高共模電壓的直流電壓放大器，其特征在于:反饋信號 斬波開關(guān)控制電源由光電池二提供;光電池二的低端與反饋線圈的中點連接。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的能抑制高共模電壓的直流電壓放大器，其特征在于： 3個控制信號均采用光耦或者磁耦進行隔離。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的能抑制高共模電壓的直流電壓放大器，其特征在于： 所述交流帶通放大器(9)和解調(diào)器（11)之間還設(shè)置有隔直電容C。
【文檔編號】H03F3/45GK105978517SQ201610431302
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月16日
【發(fā)明人】張建斌, 張海飛, 史瑋強, 張攀, 鄭顯鋒, 張婧
【申請人】西安航天計量測試研究所