CN102468809A - 一种高功率线性功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种高功率线性功率放大器，包括：信号调理电路，用于对输入信号进行处理，并输出处理后的信号；功率放大电路，用于接收信号调理电路处理后的信号，并对信号调理电路处理后的信号进行功率放大处理，输出放大后的功率信号；其中，功率放大电路包括：差分放大电路，用于将信号调理电路处理后的信号进行放大；缓冲放大电路，用于对差分放大电路输出的信号再次进行放大处理；并联推挽放大电路，用于对缓冲放大电路放大处理后的信号进行功率放大处理，输出放大后的功率信号；微处理器电路，用于控制信号调理电路和功率放大电路的运作，并对信号调理电路进行参数设置。该功率放大器可获得更高的频率带宽和输出功率。

Description

一种高功率线性功率放大器

技术领域

本发明涉及信号处理领域，具体地涉及一种高功率线性功率放大器。

背景技术

目前，许多的信号源等可以输出信号的设备其输出的功率都很小，当技术人员需要驱动某些外置设备比如电机、压电传感器等外部设备时，如果用一般的信号源等去直接驱动，由于信号源输出的功率很小，就无法直接驱动上述外设，于是市场上就有了放大信号功率的功率放大器。目前市场上具有功率放大能力的主要有如下两种：1、功率信号源：将信号发生器与功率放大器结合起来，作为一个整体的仪器，一般是自己放大自己生成的信号；2、功率信号放大器(也叫功率放大模块)：没有信号生成功能，但是可以外接信号发生器等其他信号源作为输入，去放大用户输入的信号。

发明人在实现本发明的过程中发现，现有技术至少存在如下缺陷：目前市场上主要的、常见的还是一些功率信号源，其缺点至少包括：功率带宽不高，其内置的功率放大器能够放大的信号的频率较低。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术的不足，提供一种新型的宽带线性功率放大器，以提高功率放大器的带宽及其输出功率。

本发明实施例提供了一种高功率线性功率放大器，所述功率放大器包括：

信号调理电路，用于对输入信号进行处理，并输出处理后的信号；

功率放大电路，与所述信号调理电路相连，用于接收所述信号调理电路处理后的信号，并对所述信号调理电路处理后的信号进行功率放大处理，输出放大后的功率信号；其中，所述功率放大电路包括：差分放大电路，用于将所述信号调理电路处理后的信号进行放大；缓冲放大电路，与所述差分放大电路相连，用于对所述差分放大电路输出的信号再次进行放大处理；并联推挽放大电路，与所述缓冲放大电路相连，用于对所述缓冲放大电路放大处理后的信号进行功率放大处理，输出放大后的功率信号；

微处理器电路，与所述信号调理电路相连，用于控制所述信号调理电路和所述功率放大电路的运作，并对所述信号调理电路进行参数设置。

本发明实施例提供的上述宽带线性功率放大器具有如下有益技术效果：该功率放大器可获得更高的频率带宽和输出功率。实验结果表明，其可实现高达1MHz的功率带宽，且输出功率可以高达到10W。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一实施例的一种高功率线性功率放大器的功能框图；

图2为本发明第二实施例的一种高功率线性功率放大器的功能框图；

图3为本发明第二实施例的图2中功率放大电路20的具体电路原理图；

图4为本发明第三实施例的一种高功率线性功率放大器的功能框图；

图5为本发明第四实施例的一种高功率线性功率放大器的功能框图；

图6为本发明第四实施例功率放大电路20与噪声增益补偿电路60耦合后的功能框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明第一实施例提供了一种高功率线性功率放大器。图1为本发明第一实施例的高功率线性功率放大器的功能框图。如图1所示，该功率放大器包括：

信号调理电路10，用于对输入信号进行处理，例如进行放大、衰减、反相或直流偏移等处理，并输出处理后的信号。

功率放大电路20，与信号调理电路10相连，用于接收信号调理电路10处理后的信号，并对信号调理电路10处理后的信号进行功率放大处理，输出放大后的功率信号。其中，功率放大电路20可以进一步包括：差分放大电路210，用于将信号调理电路10处理后的信号进行放大；缓冲放大电路220，与差分放大电路210相连，用于对差分放大电路210输出的信号再次进行放大处理；并联推挽放大电路230，与缓冲放大电路220相连，用于对缓冲放大电路220放大处理后的信号进行功率放大处理，输出放大后的功率信号。

微处理器电路30，与信号调理电路10相连，用于控制信号调理电路10和功率放大电路20的运作，并对信号调理电路10进行参数配置，例如设置信号调理电路10的放大倍数和/或偏移等参数。

本发明第一实施例中，通过由差分放大电路、缓冲放大电路及并联推挽放大电路构成功率放大电路，由该功率放大电路对信号调理电路处理后的信号进行功率放大处理，可得到更高的频率带宽和输出功率。实验结果表明，该功率放大电路可实现高达1MHz的功率带宽，而且其输出功率可以高达到10W。

本发明第二实施例提供了另一种高功率线性功率放大器。图2为本发明第二实施例的一种高功率线性功率放大器的功能框图。为简洁描述，与图1相同的元件采用了相同的编号，图2与图1所示的功率放大器基本类似，不同之处在于，图2中功率放大器20还进一步包括：

主极点补偿电路240，与缓冲放大电路220相连，用于对缓冲放大电路220进行主极点补偿。

过流保护电路250，与并联推挽放大电路230相连，用于当功率放大器的输出电流超过预设的电流阈值时，关闭功率放大电路20的输出，也即关闭了该功率放大器的输出。具体地，过流保护电路250可以包括多个过流取样电阻器以及多个三极管，过流保护电路250可以用于根据该多个过流取样电阻器上的电压来判断功率放大器的输出电流是否超过预设的电流阈值，如果超过，则关闭功率放大器的输出，以切断功率放大器与负载之间的联系。

本发明第二实施例中，通过设置主极点补偿电路240，可以对缓冲放大器进行主极点补偿，以防止缓冲放大器发生自激振荡，提高缓冲放大器的稳定性。通过设置过流保护电路250，可以使功率放大器具有过流保护能力，以确保仪器能够稳定、可靠、安全的工作。

图3为本发明第二实施例图2中功率放大电路20的具体电路原理图。请参阅图3，功率放大电路20是由三极管等分立元件组成。以下描述该功率放大电路20的结构及工作过程。

首先，信号由前级的信号调理电路10处理以后，进入至图3所示的功率放大电路的负输入端IN-，然后该信号被由三极管Q601、Q602、Q603、Q604组成的两个差分放大电路放大，上述两个差分放大电路不仅起到了放大的作用，也给信号的负输入端IN-和正输入端IN+端提供了一个较高的输入阻抗，有利于减小信号的损耗。

然后，通过差分放大电路的放大处理后的信号，接着进入到由三极管Q605、Q607组成的放大电路再进行放大，这样有利于提高开环增益，减小闭环误差。随后，信号被三极管Q608、Q609进一步缓冲以后进入到由三对中功率、高频率的BJT对管，即第一BJT对管Q610和Q611，第二BJT对管Q612和Q613，第三BJT对管Q614和Q615，组成的并联推挽放大电路中。其中，由三极管Q608和Q609进行缓冲处理可于提高该级的输入阻抗，减小输出阻抗，有利于提高放大器的性能。最后，信号由这三对并联的BJT对管输出。本发明第二实施例中，将三对中功率、高频率BJT对管并联使用的主要原因，是为了提高最终输出信号的电流输出能力，以实现较大功率输出。需要说明的是，本发明实施例中可以采用更多对，或者更少对上述三极管对管，例如采用2对、4对或5对中功率高频率BJT对管也是可以的。采用的三极管对管的数量可根据输出电流的能力确定，但是并联的越多，放大器的带宽就会越低。

如图3所示，在本发明第二实施例中，使用电容C603，C604，C601，C602对在这个由众多分立体三极管组成的功率放大电路中起主要放大作用的三极管Q605、Q607进行主极点补偿，以防止功率放大器自激振荡，提高放大器的稳定性。其中，电容C603跨接于三极管Q605的基极与集电极之间，电容C604跨接于三极管Q607的基极与集电极之间。再如图3所示，电阻R615、R617、R619和三极管Q616，以及电阻R616、R618、R620和三极管Q617共同组成了针对输出信号的输出电流过流时的保护电路。本发明第二实施例中采用采用了安森美半导体公司(ON-SEMIconductor)的中功率高频三极管对管，并且通过将三对这样的对管并联使用，实现了在较高的频率下(1MHz)输出较大的功率(10W)。作为一种替代方式，还可以采用三洋半导体(Sanyo)或者飞兆半导体(FairchildSemi)公司相似的中功率高频三极管对管产品来替代。作为一种举例，图3中三极管Q610和Q611可采用安森美半导体公司生产的型号为BD139和BD140的三极管对管。本发明实施例不限于此，其它型号的对管也是可以采用的。

以下列出了上述中功率高频管BD139和BD140的技术参数：BD139：VCEO＝80V，IC＝1.5A，Hfe＝40(Min)，Ft＞50MHz；BD140：VCEO＝80V，IC＝1.5A，Hfe＝40(Min)，Ft＞50MHz。

本发明第三实施例提供了另一种高功率线性功率放大器。图4为本发明第三实施例的一种高功率线性功率放大器的功能框图。为简洁描述，与图2相同的元件采用了相同的编号，图4与图2所示的功率放大器基本类似，不同之处在于，图4中功率放大器20还进一步包括：

通讯接口电路40，与微处理器电路30相连，用于负责微处理器电路30与上位机的通讯。其中，通讯接口电路40可以是USB(Universal Serial BUS，通用串行总线)通讯接口电路，但本发明实施例不以此为限。

过压输出保护电路50，与微处理器电路30和功率放大电路20相连，用于当功率放大器的输出电压超过预设的电压阈值时，切断功率放大器的输出。进一步地，过压输出保护电路50，还可以用于接受微处理器电路30的控制，设置所述电压阈值。具体地，过压输出保护电路50可以包括一比较器，当功率放大器的输出电压超过预设的电压阈值时，该比较器用于将该功率放大电路20的输出关闭，也即将该功率放大器的输出关闭。

以下详细说明该比较器的结构及工作原理。该电路是由一个芯片中的两个比较器构成，比较器的输入管脚分别设置为功率放大器输出的最大正电压+2V，与功率放大器输出信号的最小负电压-2V；当外部有信号灌入到功率放大器的输入时，或功率放大器的输出由于本身的故障超过这个范围时，该比较器就反转，然后输出一个信号给微处理器电路；微处理器电路接收到这个信号以后就会关闭功率放大电路的输出，起到保护作用。

图4中的微处理器电路10，具体可以用于通过通讯接口电路30接收该上位机发送的指令，以设置信号调理电路10的放大倍数或偏移中至少一个的参数。

本发明第三实施例中，通过设置通讯接口电路40，可以使功率放大器通过该通讯接口40与PC上位机进行灵活的通讯，从而用户可以通过上位机方便的改变该功率放大器的参数，使用更加灵活，可适应不同应用的需求。通过设置过压输出保护电路50，使着功率放大器同时具有了过流及过压保护的能力，可进一步确保仪器稳定、可靠、安全的工作。

本发明第四实施例提供了又一种高功率线性功率放大器。图5为本发明第四实施例的一种高功率线性功率放大器功能框图。为简洁描述，与图4相同的元件采用了相同的编号，图5与图4所示的功率放大器基本类似，不同之处在于，图5中功率放大器20还进一步包括：

温度传感器310，用于检测功率放大器的温度；微处理器电路30还用于当功率放大器的温度超过预设的温度阈值时，关闭功率放大电路20的输出，也即实现了关闭该功率放大器的输出。

噪声增益补偿电路60，与信号调电路10和功率放大电路20相连，用于当功率放大器在驱动容性负载时防止该功率放大器产生自激振荡。具体地，噪声增益补偿电路60包括串联的电阻器R3和电容器C1，其中，该电容器C1的一端接地，电容器C1的另一端连接电阻器R3，该电阻器R3的另一端连接功率放大电路的一个输入端。

作为一种可选实施例，噪声增益补偿电路60包括串联的电阻器R3和电容器C1，其中，电阻器R3的一端接地，功率放大电路具有一正输入端与一负输入端，电容器C1与该功率放大电路的负输入端相连。

可选地，图5所示的功率放大器还可以进一步包括：散热片，用于对该功率放大器进行散热。

再次参阅图5，整个电路是由微处理器电路30来控制的，微处理器通过通讯接口电路40和PC上位机通讯。同时微处理器电路30也控制过压输出保护电路50，去设置过压保护的电压阈值，控制过流保护电路250，去设置过流保护的电流阈值，并设置过温保护的温度阈值，当功率放大器输出的电压、电流、温度这三个物理量只要有一个超过了用户的预设的阈值，相应的输出保护电路就会动作，以切断功率放大电路20的输出，即实现了将功率放大器的输出关闭，从而起到保护功率放大器以及用户设备的作用。同时微处理器电路30还可以根据用户通过PC上位机发送过来的指令去设置整个功率放大器的放大倍数、偏移等参数。用户输入的信号首先通过前端的信号调理电路预处理以后，就进入容性负载的噪声增益补偿电路以及由分立体三极管组成的末级功率放大电路中，最后变为有较强功率驱动能力的信号输出。

图6为本发明第四实施例功率放大电路20与噪声增益补偿电路60耦合后的功能框图。以下详细地阐述本发明第四实施例在驱动较大的容性负载时，即驱动的容性负载的电容值可以高达1000pF，不发生自激振荡且放大器稳定工作的原理。

本领域技术人员可以理解，在一般情况下，当放大器在其输出端驱动的是一个容性负载比如负载是一个电容或者压电器件时，放大器本身具有的输出电阻和该容性负载构成的电路会在放大器的传递函数中增加一个新的极点，通常这个新增加的极点会大大降低整个反馈网络的相位裕度，这样就会导致当放大器在驱动容性负载的时候工作不稳定，严重的时候甚至会有自激振荡的现象产生。本发明的第四实施例针对功率放大器的进行了噪声增益补偿，来实现即使放大器驱动较大的容性负载的同时，也能正常且稳定工作的目的。

图6中粗线框中的电路就是图4所示的功率放大电路，电阻R1与电阻R2一起组成了该放大器的反馈网络，从而精确的决定了由分立体三极管等元件组成的功率放大器的放大倍数。其中，电阻R3与电容C1组成了功率放大器驱动容性负载时防止放大器振荡的噪声增益补偿电路。本发明第四实施例通过在放大器的IN-输入端接入一个由R3与C1串联的电路，改变了放大器的整体频响以及环路增益的频响，通过实际测试与理论计算找出了合适的的电阻R3与电容C1的值，由R3与C1组成的电路很好的抵消了由放大器本身具有的输出电阻和容性负载带来的额外的极点，从而较好的解决了放大器驱动大的容性负载时容易自激振荡的问题，使本发明第四实施例的功率放大器可以稳定的驱动高达1000pF的容性负载。在本发明实施例中，电阻R3的电阻值取值范围可以是50-150Ω，或者50-100Ω，或者100-150Ω，优选值为100Ω；电容C1的电容值取值范围是115-125pF，或者115-120pF，或者120-125pF，优选值为120pF。

本发明第四实施例解决了功率放大器在驱动大的容性负载的同时，能够稳定的工作且不自激振荡的问题。

本发明第四实施例提供的一种高功率线性功率放大器具有如下优点：

1、本发明实施例提供的高功率线性功率放大器体积小巧，便于携带，使用方便；

2、本发明实施例提供的高功率线性功率放大器在很小的体积里面做到了输出较大功率的同时，较好的解决了散热问题。

3、本发明实施例提供的高功率线性功率放大器可以通过USB接口和PC上位机进行灵活的通讯，可以通过上位机方便的改变该功率放大模块的参数，使用灵活，能适应不同应用的需求。

4、本发明实施例提供的高功率线性功率放大器实现了高达1MHz的功率带宽，输出功率可以达到10W。

5、本发明实施例提供的高功率线性功率放大器实现了较强的带容性负载的能力，驱动的容性负载的电容值可以高达1000pF。

6、本发明实施例提供的高功率线性功率放大器具有完备的输出保护能力(过压保护、过流保护、过温保护)，可以确保仪器稳定、可靠、安全的工作。

以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (18)

1.一种高功率线性功率放大器，其特征在于，所述功率放大器包括：

信号调理电路，用于对输入信号进行处理，并输出处理后的信号；

功率放大电路，与所述信号调理电路相连，用于接收所述信号调理电路处理后的信号，并对所述信号调理电路处理后的信号进行功率放大处理，输出放大后的功率信号；其中，所述功率放大电路包括：差分放大电路，用于将所述信号调理电路处理后的信号进行放大；缓冲放大电路，与所述差分放大电路相连，用于对所述差分放大电路输出的信号再次进行放大处理；并联推挽放大电路，与所述缓冲放大电路相连，用于对所述缓冲放大电路放大处理后的信号进行功率放大处理，输出放大后的功率信号；

微处理器电路，与所述信号调理电路相连，用于控制所述信号调理电路和所述功率放大电路的运作，并对所述信号调理电路进行参数设置。

2.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述功率放大电路还包括：主极点补偿电路，与所述缓冲放大电路相连，用于对所述缓冲放大电路进行主极点补偿。

3.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述功率放大电路还包括：过流保护电路，与所述并联推挽放大电路相连，用于当所述功率放大器的输出电流超过预设的电流阈值时，关闭所述功率放大电路的输出。

4.根据权利要求3所述的功率放大器，其特征在于，所述过流保护电路包括多个过流取样电阻器以及多个三极管，所述过流保护电路用于根据所述多个过流取样电阻器上的电压来判断所述功率放大器的输出电流是否超过预设的电流阈值，如果超过，则所述多个三极管导通，关闭所述功率放大电路的输出。

5.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述功率放大器还包括：通讯接口电路，与所述微处理器电路相连，用于负责所述微处理器电路与上位机的通讯。

6.根据权利要求5所述的功率放大器，其特征在于，所述微处理器电路，具体用于通过所述通讯接口电路接收所述上位机发送的指令，以设置所述信号调理电路的放大倍数和/或偏移。

7.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述功率放大器还包括：

过压输出保护电路，与所述微处理器电路和所述功率放大电路相连，用于接受所述微处理器电路的控制以设置电压阈值，并当所述功率放大器的输出电压超过所述电压阈值时，关闭所述功率放大电路的输出。

8.根据权利要求7所述的功率放大器，其特征在于，所述过压输出保护电路包括一比较器，当所述功率放大器的输出电压超过所述预设的电压阈值时，所述比较器用于将所述功率放大电路的输出关闭。

9.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述微处理器电路还包括：

温度传感器，用于检测所述功率放大器的温度；所述微处理器电路还用于当所述功率放大器的温度超过预设的温度阈值时，关闭所述功率放大电路的输出。

10.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述信号调理电路，具体用于对输入信号进行放大、衰减、反相或直流偏移处理，并输出处理后的信号。

11.根据权利要求2所述的功率放大器，其特征在于，所述主极点补偿电路至少包括一电容器，所述缓冲放大电路至少包括一三极管，所述电容器跨接于所述三极管的基极与集电极之间。

12.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述并联推挽放大电路包括多对并联的三极管对管。

13.根据权利要求1-12中任一项所述的功率放大器，其特征在于，所述功率放大器还包括：

噪声增益补偿电路，与所述信号调理电路和所述功率放大电路相连，用于当所述功率放大器在驱动容性负载时防止所述功率放大器产生自激振荡。

14.根据权利要求13所述的功率放大器，其特征在于，所述噪声增益补偿电路包括串联的电阻器(R3)和电容器(C1)，其中，所述电容器(C1)的一端接地，所述功率放大电路具有一正输入端与一负输入端，所述电阻器(R3)与所述功率放大电路的负输入端相连。

15.根据权利要求13所述的功率放大器，其特征在于，所述噪声增益补偿电路包括串联的电阻器(R3)和电容器(C1)，其中，所述电阻器(R3)的一端接地，所述功率放大电路具有一正输入端与一负输入端，所述电容器(C1)与所述功率放大电路的负输入端相连。

16.根据权利要求14或15所述的功率放大器，其特征在于，所述电阻器(R3)的电阻值范围是50至150欧姆，所述电容器(C1)的电容值范围是115至125皮法。

17.根据权利要求14或15所述的功率放大器，其特征在于，所述电阻器(R3)的电阻值是100欧姆，所述电容器(C1)的电容值是120皮法。

18.根据权利要求12所述的功率放大器，其特征在于，所述多对并联的三极管对管中的每一对的技术参数包括：集电极发射极反向击穿电压VCEO为80V，工作电流IC为1.5A，电流放大倍数Hfe大于40，特征频率Ft大于50MHz。

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