CN103199809B - 一种同相双极性高压比例放大电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同相双极性高压比例放大电路，包括第一低压集成运算放大器、第二低压集成运算放大器、NPN型高压晶体三极管、PNP型高压晶体三极管、射极电流信号取样电阻、负载、第一高压电源、第二高压电源。第一低压集成运算放大器构成反相器；第二低压集成运算放大器构成信号跟随器；NPN型高压晶体三极管和PNP型高压晶体三极管构成推挽输出器；取样电阻的一端连接于两只高压晶体三极管发射极，另一端接公共端，第一高压电源的负端连接于第二高压电源的正端，二者的连接端作为高压输出端子，负载连接于高压输出端子和公共端之间。本发明电路原理简约清晰、易于实施和重现，解决了实际应用中的高压比例放大器的设计难度问题。

Description

一种同相双极性高压比例放大电路

技术领域

本发明涉及一种放大电路，特别涉及一种同相双极性高压比例放大电路，属于半导体器件领域。

背景技术

在一些应用领域如核磁共振、电子束偏转等装置中需要较高的扫描电压(数百伏以上)，且要求线性度很好，目前高压集成运算放大器最大输出峰值电压只能在150V以内，且制造成本高，依赖进口。如：已检索到美国APEX公司推出的PA42型高电压集成运算放大器其最高供电电压为±175V,最大输出电压峰值为150V，这已是当今最高水平的高压集成运放产品了。

在需要更高扫描电压的情况下，设计一套高压比例放大器电路绝非易事。若能利用市场上现有的技术成熟、价格低廉的低压小信号集成运算放大器驱动高压晶体三极管，由高压晶体三极管输出高电压信号，则不失为一种经济实用的电路方案，因为高压晶体三极管技术也已很成熟且造价不高。

发明内容

针对现有技术中放大电路存在的上述问题，本发明提供一种集成运算放大器和晶体三极管构成的同相双极性高压比例放大器电路，据此电路可实现将输入的交流或直流小信号电压线性地放大到高电压输出，广泛应用于扫描隧道显微镜、扫描探针显微镜、磁阻效应测试仪等各种自动测量仪表，也可以用于核磁共振、等离子体探针测试等多种领域。

本发明的技术方案是：

一种同相双极性高压比例放大电路，包括第一低压集成运算放大器、第二低压集成运算放大器、NPN型高压晶体三极管、PNP型高压晶体三极管、射极电流信号取样电阻、负载、第一高压电源、第二高压电源；第一低压集成运算放大器构成反相器；第二低压集成运算放大器构成信号跟随器；NPN型高压晶体三极管和PNP型高压晶体三极管构成推挽输出器；射极电流信号取样电阻的一端连接于NPN型高压晶体三极管发射极和PNP型高压晶体三极管发射极，另一端接公共端，第一高压电源的负端连接于第二高压电源的正端，二者的连接端作为高压输出端子，负载连接于高压输出端子和公共端之间。

进一步，所述第一低压集成运算放大器，其输出信号电压相位与输入信号电压相位相反，其输出信号电压幅度与输入信号电压幅度相等，其输出信号送至第二低压集成运算放大器。

进一步，所述第二低压集成运算放大器，其输出端连接到NPN型高压晶体三极管和PNP型高压晶体三极管的基极上，并从NPN型高压晶体三极管和PNP型高压晶体三极管的射极电流信号取样电阻上取出信号反馈给本级运算放大器，射极电流信号取样电阻上的信号幅度与本级运算放大器的输入信号幅度相等、相位相同。

进一步，所述NPN型高压晶体三极管和PNP型高压晶体三极管，NPN型高压晶体三极管的集电极连接于高压电源的正端，PNP型高压晶体三极管的集电极连接于高压电源的负端，NPN型高压晶体三极管和PNP型高压晶体三极管的发射极共同并接于射极电流信号取样电阻。

本发明的有益效果是：

本发明基于两级通用低压集成运算放大器和一对高压晶体三极管(NPN型硅管和PNP硅管)构成一种同相双极性高压比例放大电路，输入信号范围：0—±5V,输出可达正负数百伏电压。第一级低压集成运算放大器担任小信号反相器，第二级低压集成运算放大器担任深度电流负反馈跟随器，末级有一只NPN型硅晶体三极管和一只PNP型硅晶体三极管组成推挽放大。电路中引入了深度电流负反馈，保证了输出电压的优良线性度。电路中低压元件始终工作于低电压回路，安全，输入和输出共地，无需电位隔离。合理的电路方案决定了电路成本低廉、易于实施。如需改变输出高压，仅需改变某特定电阻阻值、晶体三极管耐压参数以及提供合适的高压电源即可，无需改动低压回路元器件参数和电路结构。因此本发明并不限定电路的输出高压值，而是由实施者根据实际需要的高压值配置上述器件参数。

附图说明

图1是本发明一种同相双极性高压比例放大电路的原理图；

图2是输出±500V电压的同相双极性高压比例放大电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明一种同相双极性高压比例放大电路，包括第一低压集成运算放大器、第二低压集成运算放大器、NPN型高压晶体三极管、PNP型高压晶体三极管、射极电流信号取样电阻、负载、第一高压电源、第二高压电源。

第一低压集成运算放大器构成反相器，其输出信号电压相位与输入信号电压相位相反，其输出信号电压幅度与输入信号电压幅度相等，其输出信号送至第二低压集成运算放大器。

第二低压集成运算放大器构成信号跟随器，其输出端连接到NPN型高压晶体三极管和PNP型高压晶体三极管的基极上，并从NPN型高压晶体三极管和PNP型高压晶体三极管的射极电流信号取样电阻上取出信号反馈给本级运算放大器，射极电流信号取样电阻上的信号幅度与本级运算放大器的输入信号幅度相等、相位相同。

NPN型高压晶体三极管和PNP型高压晶体三极管构成推挽输出器，NPN型高压晶体三极管的集电极连接于高压电源的正端，PNP型高压晶体三极管的集电极连接于高压电源的负端，NPN型高压晶体三极管和PNP型高压晶体三极管的发射极共同并接于射极电流信号取样电阻。

射极电流信号取样电阻的一端连接于NPN型高压晶体三极管发射极和PNP型高压晶体三极管发射极，另一端接公共端，第一高压电源的负端连接于第二高压电源的正端，二者的连接端作为高压输出端子，负载连接于高压输出端子和公共端之间。

本发明一种同相双极性高压比例放大电路原理如图1所示，U1B、U1A为通用集成运算放大器，T1、T2为高压晶体三极管，R4为射极电流信号取样电阻，R5为负载电阻。U1B接成反相器形式，根据运算放大器工作原理，在该电路中有：

$\frac{Vi}{R1}=\frac{-Vo1}{R2},$ 即： $Vo1=-\frac{R2}{R1}Vi$

式中Vi为输入电压，Vo1为该级运算放大器输出电压，因R1＝R2，所以Vo1＝-Vi，信号反相。U1A接成跟随器形式，特殊之处为其反馈电压不是取自本身的输出端，而是取自高压晶体三极管的发射极，而该电压正是高压回路的输出电流在R4上产生的信号，所以反馈的是高压回路电流信号，记该信号电压为Vo2，则根据运算放大器工作原理，在本电路中有：

Vo1＝Vo2＝-Vi

即电压跟随。由于将放高压回路电流信号作为深度负反馈信号，所以使得三极管T1、T2的集电极电流非常稳定，保证了输出电压具有良好的线性度。R5为负载电阻，该电阻两端电压即为输出高压Vo，该电压极性与R4两端电压极性相反，即Vo＝-Vo1＝Vi，可见输出高压与输入信号电压同相位。改变负载电阻R5和射极电流信号取样电阻R4的比例便可改变输出高压的幅度，输出高压Vo计算：

$Vo=-Vo2\frac{R5}{R4}=Vi\frac{R5}{R4}$

可见如果固定R4不变，改变R5阻值即改变了输出电压幅度，即为电压放大比例系数。

高压回路输出电流Io计算：因流过R4的电流即为高压回路输出电流，但方向相反，即：

$Io=-\frac{Vo2}{R4}=\frac{Vi}{R4}$

可见如固定R4不变，输出高压电流仅与输入信号电压幅度呈线性关系。

图1中E1、E2为两组直流电源，配置时每组电源的电压值应比所需的输出高压的峰值高出5-10V为合理。

本发明的实施例，图2中的电路可输出±500V线性扫描峰值电压。实施者可根据上述原理，无需改变电路结构，仅改变负载电阻值和输入信号电压幅度便可得到不同的输出高压值和输出电流值。

按图1所示的原理图设计印刷电路板(PCB)，除R5、R4外。其余电阻均为0.25W金属膜电阻，可用表贴封装。R5、R4可根据输出电压、电流的平均值计算其功率，并留有足够裕度。R5其实是负载等效电阻，可不安装在PCB上。PCB上高压回路的爬电距离不得小于2.5mm/100V。T1、T2为硅材料高压晶体管，T1为NPN型，T2为PNP型，根据输出电压峰值选取三极管的集电极和发射极间的击穿电压BUceo，其值应为输出电压峰值的1.7至2倍。其直流放大系数大于20,晶体三极管需加散热器。集成运算放大器可用直插型也可用表贴型。注意信号输入接地引出线应靠近R2引出，高压输出接地引出线应靠近R4引出，集成运算放大器必须接±12V电源，其公共接地端可与输入信号地线相连。E1、E2可用开关电源或其他直流电源，注意其电压值应略高于输出高压的峰值，其功率应大于负载吸收功率的两倍。图中FUSE1、FUSE2为高压快速熔断器。

综上所述，本发明提供了一种基于通用低压集成运算放大器与高压晶体三极管结合的同相双极性高压比例放大电路方案，电路原理简约清晰、易于实施和重现，解决实际应用中的高压比例放大器的设计难度问题。

Claims (2)

1.一种同相双极性高压比例放大电路，其特征在于：包括第一低压集成运算放大器、第二低压集成运算放大器、NPN型高压晶体三极管、PNP型高压晶体三极管、射极电流信号取样电阻、负载电阻、第一高压电源、第二高压电源；第一低压集成运算放大器构成反相器；第二低压集成运算放大器构成信号跟随器；NPN型高压晶体三极管和PNP型高压晶体三极管构成推挽输出器；射极电流信号取样电阻的一端连接于NPN型高压晶体三极管发射极和PNP型高压晶体三极管发射极，另一端接公共端，第一高压电源的负端连接于第二高压电源的正端，二者的连接端作为高压输出端子，负载电阻连接于高压输出端子和公共端之间；第一低压集成运算放大器的输出信号送至第二低压集成运算放大器，第一低压集成运算放大器的输出信号电压相位与输入信号电压相位相反，第一低压集成运算放大器的输出信号电压幅度与输入信号电压幅度相等；第二低压集成运算放大器的输出端连接到NPN型高压晶体三极管和PNP型高压晶体三极管的基极上，并从NPN型高压晶体三极管和PNP型高压晶体三极管的射极电流信号取样电阻上取出信号反馈给第二低压集成运算放大器，射极电流信号取样电阻上的信号幅度与第二低压集成运算放大器的输入信号幅度相等、相位相同。

2.根据权利要求1所述的一种同相双极性高压比例放大电路，其特征在于：所述NPN型高压晶体三极管和PNP型高压晶体三极管，NPN型高压晶体三极管的集电极连接于第一高压电源的正端，PNP型高压晶体三极管的集电极连接于第二高压电源的负端，NPN型高压晶体三极管和PNP型高压晶体三极管的发射极共同并接于射极电流信号取样电阻。