CN101039104A - 一种基于高压大电流运算放大器的功率放大器 - Google Patents
一种基于高压大电流运算放大器的功率放大器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于高压大电流运算放大器的功率放大器。它是由主放大电路、辅助电路和输出单元组成。主放大回路包括，电压跟随电路组成的输入缓冲电路，U/I转换电路和电流扩展单元；辅助电路主要由电压提升单元组成；信号输出主要为电流信号的输出。恒流功率放大器具有功率大、响应速度快、精度高、程控性能好、适应性强等特点。在主放大回路运算器件的选择上采用了运算放大器，具有限流和短路保护功能，保证了本放大器的运行其安全性。在负载接地方式设计上采用了浮置负载的方式，通过反馈电阻构成负反馈，具有自动调整稳流的功能。
Description
技术领域
本发明涉及模拟电子电路，尤其涉及一种基于高压大电流运算放大器的功率放大器。
背景技术
功率放大器广泛应用于通信系统和各种电子设备中，为负载提供足够大的信号功率。在驱动电机、声纳换能器、线圈/磁场激励、程控电源、音响等应用中，需要具有低频(超低频)工作、大功率输出、高效率、智能控制和保护功能的功率放大器或功率驱动器。这种电路往往体积庞大，因此，集成化的低频功率驱动电路的需求呈增长趋势。目前，电压型功率放大器较为普遍。但在某些应用场合，需要有程控性能好，且能恒定输出较大电流，以驱动负载的恒流功率放大器。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于高压大电流运算放大器的功率放大器。
基于高压大电流运算放大器的功率放大器包括主放大电路、辅助电路和输出单元；其中：主放大电路包括输入缓冲电路、U/A转换电路、电流扩展单元；输入缓冲电路一端与U/A转换电路相连，输入缓冲电路另一端与上位PC机的D/A转换器相连，电流扩展单元一端与U/A转换电路相连，电流扩展单元另一端与输出单元中的浮置负载接口相连；辅助电路包括电压提升单元、放浪涌干扰单元；电压提升单元一端与直流稳压电源，电压提升单元另一端与U/A转换电路相连，防浪涌干扰单元与电流扩展单元相连；输出单元包括相位补偿单元、浮置负载接口、采样单元、反馈电路、接地单元；相位补偿电路与浮置负载接口、采样单元、接地单元相连，浮置负载接口与反馈电路相连，反馈电路与U/A转换电路相连。
所述的U/A转换电路的内部模块连接关系为：运算放大器OPA541引脚1与电阻R3的一端及可调电阻R1的一端相连，电阻R3的另一端接地，运算放大器OPA541引脚2与电阻R2、电阻R4的一端相连，电阻R2的另一端接地，电阻R4的另一端与采样电阻Rf的一端相连，运算放大器OPA541引脚3、运算放大器OPA541引脚4与电压提升单元中三极管TIP127的e端相连，运算放大器OPA541引脚10、运算放大器OPA541引脚11与电压提升单元中三极管TIP122的e端相连，运算放大器OPA541引脚5、运算放大器OPA541引脚7与电阻Rs的一端相连，运算放大器OPA541引脚8与电阻Rs的另一端相连。
电流扩展单元包括场效应管、±50V直流稳压电源，电阻R10、电阻R11的一端与运算放大器OPA541的引脚8相连，电阻R10的另一端与电阻R9、电阻R17、电阻R18的一端相连，电阻R11的另一端与电阻R12、电阻R19、电阻R20的一端相连，电阻R9的另一端接电源+Vcc，电阻R17、电阻R18的另一端分别与第一场效应管IRF640 T1、第二场效应管IRF640 T2的引脚G相连，电阻R12的另一端与电源-Vcc相连，电阻R19、电阻R20的另一端分别与第一场效应管IRF9640 T3、第二场效应管IRF9640 T4的引脚G相连，第一场效应管IRF640 T1、第二场效应管IRF640 T2的引脚D与电源+Vcc相连，第一场效应管IRF640 T1、第二场效应管IRF640 T2的引脚S分别与电阻R15、电阻R13的一端相连，第一场效应管IRF9640 T3、第二场效应管IRF9640 T4的引脚D与电源-Vcc相连，第一场效应管IRF9640 T3、第二场效应管IRF9640 T4的引脚S分别与电阻R14、电阻R16的一端相连，电阻R13～电阻R16的另一端连接。
电压提升单元的电路为：三极管TIP122的引脚c与电源+Vcc、电阻R5的一端相连，三极管TIP122的引脚b与电阻R5的另一端、电阻R6的一端相连，三极管TIP127的引脚c与电源-Vcc、电阻R8的一端相连，三极管TIP127的引脚b与电阻R8的另一端、电阻R7的一端相连，电阻R6、电阻R7的另一端与运算放大器OPA541的引脚8相连；防浪涌干扰单元中二极管D1的正极与电源-Vcc相连，二极管D1的负极与电阻R23的一端相连，二极管D2的负极与电源+Vcc相连，二极管D2的正极与电阻R22的一端相连，电阻R22、电阻R23的另一端与电阻R15、电阻R16的另一端相连。
本发明的输入信号可以是信号发生器或者是由计算机程序控制发出的任意信号，具有适应范围广、柔性度高等特点。在本恒流功率放大器的设计上采用了大功率的运算器件OPA541和功率MOSFET，并且采用三极管提升运放输出电压和多片功率MOSFET并联分流的方式连接，具有输出功率高、电流大的特点。采用防浪涌干扰电路，具有冲击影响小，起动性能好的特点。整体电路具有线性度高，电压调整率低，负载调整率和时漂小，信噪比高，响应速度快的特点。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是基于高压大电流运算放大器的功率放大器电路框图；
图2是本发明的U/I转换电路图；
图3是本发明的电流扩展电路图；
图4是本发明的电压提升电路图；
图5是本发明的防浪涌干扰电路图。
具体实施方式
如图1所示，基于高压大电流运算放大器的功率放大器包括主放大电路、辅助电路和输出单元；其中：主放大电路包括输入缓冲电路、U/A转换电路、电流扩展单元；输入缓冲电路一端与U/A转换电路相连，输入缓冲电路另一端与上位PC机的D/A转换器相连，电流扩展单元一端与U/A转换电路相连，电流扩展单元另一端与输出单元中的浮置负载接口相连；辅助电路包括电压提升单元、放浪涌干扰单元；电压提升单元一端与直流稳压电源，电压提升单元另一端与U/A转换电路相连，防浪涌干扰单元与电流扩展单元相连；输出单元包括相位补偿单元、浮置负载接口、采样单元、反馈电路、接地单元；相位补偿电路与浮置负载接口、采样单元、接地单元相连，浮置负载接口与反馈电路相连，反馈电路与U/A转换电路相连。
如图2所示，U/A转换电路的内部模块连接关系为：运算放大器OPA541引脚1与电阻R3的一端及可调电阻R1的一端相连，电阻R3的另一端接地，运算放大器OPA541引脚2与电阻R2、电阻R4的一端相连，电阻R2的另一端接地，电阻R4的另一端与采样电阻Rf的一端相连，运算放大器OPA541引脚3、运算放大器OPA541引脚4与电压提升单元中三极管TIP127的e端相连，运算放大器OPA541引脚10、运算放大器OPA541引脚11与电压提升单元中三极管TIP122的e端相连，运算放大器OPA541引脚5、运算放大器OPA541引脚7与电阻Rs的一端相连，运算放大器OPA541引脚8与电阻Rs的另一端相连。电阻Rs是小阻值精密电阻，为运算放大器OPA541提供限流保护，电阻R1为多圈精密可调电阻，电阻R2、电阻R3、电阻R4的阻值相等。
如图3所示，电流扩展单元包括场效应管、±50V直流稳压电源，电阻R10、电阻R11的一端与运算放大器OPA541的引脚8相连，电阻R10的另一端与电阻R9、电阻R17、电阻R18的一端相连，电阻R11的另一端与电阻R12、电阻R19、电阻R20的一端相连，电阻R9的另一端接电源+Vcc，电阻R17、电阻R18的另一端分别与第一场效应管IRF640 T1、第二场效应管IRF640 T2的引脚G相连，电阻R12的另一端与电源-Vcc相连，电阻R19、电阻R20的另一端分别与第一场效应管IRF9640 T3、第二场效应管IRF9640 T4的引脚G相连，第一场效应管IRF640 T1、第二场效应管IRF640 T2的引脚D与电源+Vcc相连，第一场效应管IRF640 T1、第二场效应管IRF640 T2的引脚S分别与电阻R15、电阻R13的一端相连，第一场效应管IRF9640 T3、第二场效应管IRF9640 T4的引脚D与电源-Vcc相连，第一场效应管IRF9640 T3、第二场效应管IRF9640 T4的引脚S分别与电阻R14、电阻R16的一端相连，电阻R13～电阻R16的另一端连接。直流稳压电源为场效应管T1～T4提供电源；电阻R17～电阻R20阻值相等，为精密电阻，电阻R13～电阻R16阻值相等，为大功率小阻值电阻。
如图4所示，电压提升单元的电路为：三极管TIP122的引脚c与电源+Vcc、电阻R5的一端相连，三极管TIP122的引脚b与电阻R5的另一端、电阻R6的一端相连，三极管TIP127的引脚c与电源-Vcc、电阻R8的一端相连，三极管TIP127的引脚b与电阻R8的另一端、电阻R7的一端相连，电阻R6、电阻R7的另一端与运算放大器OPA541的引脚8相连；防浪涌干扰单元中二极管D1的正极与电源-Vcc相连，二极管D1的负极与电阻R23的一端相连，二极管D2的负极与电源+Vcc相连，二极管D2的正极与电阻R22的一端相连，电阻R22、电阻R23的另一端与电阻R15、电阻R16的另一端相连。电阻R5～R8阻值相等。
如图5所示，防浪涌干扰单元(2.2)由二极管与电阻组成，与电流扩展单元相连。
电压信号由输入单元输出至输入缓冲电路，然后由输入缓冲单元输出至U/A转换电路中可调电阻R1，经过可调电阻R1进入运算放大器OPA541引脚1，运算放大器OPA541引脚8与电阻Rs的连接端输出经过U/A转换后的电流信号。当运算放大器OPA541引脚8与电阻Rs的连接端输出的电流是正值时，正电流进入电阻R10，然后平均进入电阻R17、电阻R18，流经电阻R17的电流进入第一场效应管IRF640 T1引脚G，经过放大后，电流从第一场效应管IRF640 T1引脚S流出，进入电阻R15，流经电阻R18的电流进入第二场效应管IRF640 T2引脚G，经过放大后，电流从第二场效应管IRF640 T2引脚S流出，进入电阻R13，电阻R13、电阻R15的输出电流相加后输入到负载接口的输入端，此时加载在负载上的是正电流；当运算放大器OPA541引脚8与电阻Rs的连接端输出的电流是负值时，负电流进入电阻R11，然后平均进入电阻R19、电阻R20，流经R19的电流进入第一场效应管IRF9640 T3引脚G，经过放大后，电流从第一场效应管IRF9640 T3引脚S流出，进入电阻R14，流经电阻R20的电流进入第二场效应管IRF9640 T4引脚G，经过放大后，电流从第二场效应管IRF9640 T4引脚S流出，进入电阻R16，电阻R14、电阻R16的输出电流相加后输入到负载接口的输入端，此时加载在负载上的是负电流；
电流信号经过负载后，从负载接口的输出端输出，输出电流一部分进入采样电阻Rf，输出电流经过Rf接地形成回路，输出电流另一部分经过电阻R4反馈进入运算放大器OPA541引脚2。
Claims (4)
1、一种基于高压大电流运算放大器的功率放大器，其特征在于包括主放大电路、辅助电路和输出单元；其中：主放大电路包括输入缓冲电路、U/A转换电路、电流扩展单元；输入缓冲电路一端与U/A转换电路相连，输入缓冲电路另一端与上位PC机的D/A转换器相连，电流扩展单元一端与U/A转换电路相连，电流扩展单元另一端与输出单元中的浮置负载接口相连；辅助电路包括电压提升单元、放浪涌干扰单元；电压提升单元一端与直流稳压电源，电压提升单元另一端与U/A转换电路相连，防浪涌干扰单元与电流扩展单元相连；输出单元包括相位补偿单元、浮置负载接口、采样单元、反馈电路、接地单元；相位补偿电路与浮置负载接口、采样单元、接地单元相连，浮置负载接口与反馈电路相连，反馈电路与U/A转换电路相连。
2、根据权利要求1所述的一种基于高压大电流运算放大器的功率放大器，其特征在于所述的U/A转换电路的内部模块连接关系为：运算放大器OPA541引脚1与电阻R3的一端及可调电阻R1的一端相连，电阻R3的另一端接地，运算放大器OPA541引脚2与电阻R2、电阻R4的一端相连，电阻R2的另一端接地，电阻R4的另一端与采样电阻Rf的一端相连，运算放大器OPA541引脚3、运算放大器OPA541引脚4与电压提升单元中三极管TIP127的e端相连，运算放大器OPA541引脚10、运算放大器OPA541引脚11与电压提升单元中三极管TIP122的e端相连，运算放大器OPA541引脚5、运算放大器OPA541引脚7与电阻Rs的一端相连，运算放大器OPA541引脚8与电阻Rs的另一端相连。
3、根据权利要求1所述的一种基于高压大电流运算放大器的功率放大器，其特征在于所述的电流扩展单元包括场效应管、±50V直流稳压电源，电阻R10、电阻R11的一端与运算放大器OPA541的引脚8相连，电阻R10的另一端与电阻R9、电阻R17、电阻R18的一端相连，电阻R11的另一端与电阻R12、电阻R19、电阻R20的一端相连，电阻R9的另一端接电源+Vcc，电阻R17、电阻R18的另一端分别与第一场效应管IRF640 T1、第二场效应管IRF640 T2的引脚G相连，电阻R12的另一端与电源-Vcc相连，电阻R19、电阻R20的另一端分别与第一场效应管IRF9640 T3、第二场效应管IRF9640 T4的引脚G相连，第一场效应管IRF640 T1、第二场效应管IRF640 T2的引脚D与电源+Vcc相连，第一场效应管IRF640 T1、第二场效应管IRF640 T2的引脚S分别与电阻R15、电阻R13的一端相连，第一场效应管IRF9640 T3、第二场效应管IRF9640 T4的引脚D与电源-Vcc相连，第一场效应管IRF9640 T3、第二场效应管IRF9640 T4的引脚S分别与电阻R14、电阻R16的一端相连，电阻R13～电阻R16的另一端连接。
4、根据权利要求1所述的一种基于高压大电流运算放大器的功率放大器，其特征在于所述的电压提升单元的电路为：三极管TIP122的引脚c与电源+Vcc、电阻R5的一端相连，三极管TIP122的引脚b与电阻R5的另一端、电阻R6的一端相连，三极管TIP127的引脚c与电源-Vcc、电阻R8的一端相连，三极管TIP127的引脚b与电阻R8的另一端、电阻R7的一端相连，电阻R6、电阻R7的另一端与运算放大器OPA541的引脚8相连；防浪涌干扰单元中二极管D1的正极与电源-Vcc相连，二极管D1的负极与电阻R23的一端相连，二极管D2的负极与电源+Vcc相连，二极管D2的正极与电阻R22的一端相连，电阻R22、电阻R23的另一端与电阻R15、电阻R16的另一端相连。
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