CN109510600A - 一种大功率线性高频放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大功率线性高频放大器，本发明通过运算放大器网络将输入的小信号进行放大，并输出负半周信号至信号反向网络和负半周信号放大器，信号反向网络将负半周信号反向后送入正半周信号放大器中进行放大，负半周信号放大器将信号放大后连同正半周信号放大器一同送入输出推挽电路中，输出推挽电路将两路信号每次只导通一路作为输出信号。本发明能够满足频率范围为1K‑1MHz的小信号放大，输出功率最大为18W的要求。
Description
技术领域
本发明属于放大器领域，涉及一种大功率线性高频放大器。
背景技术
变压器作为电力系统中的核心设备，其绕组的微小变形可能导致变压器的老化故障，为此发展出的变压器在线监测系统提供了相较于传统断电再监测方法更方便快捷的在线监测绕组变形的频率响应法。
变压器在线频率监测系统能及时发现变压器绕组的故障从而减小变压器突发故障造成的损失，其主要的原理为对应不同频率具有不同的响应幅度，当监测系统工作时，需要外部标准的正弦激励信号作为参考输入，在对应的绕组端检测出相应的输出参考。在这种工作条件下，对于提供输入参考信号的功率放大器而言，带电工作中的变压器相当于一个巨大的负载，获得微小的响应输出需要极大的输入驱动，这不仅需要放大器具有较大的功率可以驱动带电工作的变压器，同时还要求放大器对于较宽频带内的信号具有良好的线性放大作用，用以保证系统产生的小功率正弦参考信号通过功率放大器获得标准的大功率正弦参考信号驱动带电工作的变压器负载。但是，一般的功率运算放大器结构在为推挽电路提供充放电的过程中会由于充电电路里面的PNP管持续工作导致能量的损耗以及NPN放大管的功耗过大，另外，PNP管恒定的充电能力和NPN管变化的放电能力的不同导致输出波形上升过程和下降过程的不对称，当这种不对称大到一定程度时，会导致输出波形会产生失真。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种大功率线性高频放大器，能够满足频率范围为1K-1MHz的小信号放大，输出功率最大为18W的要求。
为了达到上述目的，本发明包括接收输入信号的运算放大器网络，运算放大器网络的输出接入信号反向网络和负半周信号放大器，信号反向网络的输出接入正半周信号放大器，正半周信号放大器和负半周信号放大器均接入输出推挽电路，输出推挽电路输出的一部分交流信号通过反馈网络返回到运算放大器网络中。
运算放大器网络的电路结构如下：
包括输入信号和5V电源，5V电源通过分压电阻后与输入信号一同接入运算放大器的正向输入端，运算放大器的反向输入端接入反馈网络发送的反馈信号，运算放大器的输出端连接信号反向网络和负半周信号放大器。
信号反向网络的电路结构如下：
包括运算放大器，5V电源通过分压电阻后将2.5V参考电位送入运算放大器的正向输入端，运算放大器的负向输入端接收运算放大器网络发送的信号，运算放大器将信号反向输出至正半周信号放大器。
正半周信号放大器和负半周信号放大器的电路结构如下：
正半周信号放大器包括PNP型三极管Q5和NPN型三极管Q6，信号反向网络输出的信号发送至三极管Q6的基极，三极管Q6的集电极连接电源和三极管Q5的基极，三极管Q6的发射极通过稳压电路连接三极管Q6的基极，三极管Q5的发射极连接电源，三极管Q5的集电极发送输出信号至输出推挽电路；
负半周信号放大器包括NPN型三极管Q9，三极管Q9的基极接收运算放大器网络发送的负半周信号，三极管Q9的发射极通过稳压电路连接三极管Q9的基极，三极管Q9的集电极发送输出信号至输出推挽电路。
三极管Q9的集电极连接电阻R59的一端，电阻R59的另一端连接二极管D15的负极，二极管D15的正极连接稳压二极管D13的正极，稳压二极管D13的负极连接三极管Q5的集电极。
输出推挽电路的电路结构如下：
包括PMOS管Q7和NMOS管Q8，PMOS管Q7的栅极输入正半周信号放大器发送的信号，NMOS管Q8的栅极输入负半周信号放大器发送的信号，PMOS管Q7的源极连接电源，PMOS管Q7的漏极作为输出端，NMOS管Q8的源极接地，NMOS管Q8的漏极作为输出端。
PMOS管Q7的栅极连接稳压二极管D4的负极，稳压二极管D4的正极连接PMOS管Q7的源极；
NMOS管Q8的栅极连接稳压二极管D5的正极，稳压二极管D5的负极连接NMOS管Q8的源极。
反馈网络包括电容C34，电容C34设置在输出推挽电路的输出端与运算放大器网络之间。
与现有技术相比，本发明通过运算放大器网络将输入的小信号进行放大，并输出负半周信号至信号反向网络和负半周信号放大器，信号反向网络将负半周信号反向后送入正半周信号放大器中进行放大，负半周信号放大器将信号放大后连同正半周信号放大器一同送入输出推挽电路中，输出推挽电路将两路信号每次只导通一路作为输出信号。当正半周信号放大器工作时，电流全部作用于为后级的充电，当负半周工作时，没有额外的电流通过推挽电路释放掉，这样就保证了充放电能力全部作用于后级电路，拥有更好的驱动能力，并降低了功耗。本发明能够满足频率范围为1K-1MHz的小信号放大，输出功率最大为18W的要求。
附图说明
图1为本发明的系统框图；
图2为本发明中运算放大器网络的电路图；
图3为本发明中信号反向网络以及正半周信号放大器和负半周信号放大器的电路图；
图4为本发明中输出推挽电路的电路图；
图5本发明的电路图；
图6为现有技术中驱动推挽电路图；
图7为现有技术中三极管性能差异导致的失真图；
图8本发明结构驱动推挽电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，本发明包括接收输入信号的运算放大器网络，运算放大器网络的输出接入信号反向网络和负半周信号放大器，信号反向网络的输出接入正半周信号放大器，正半周信号放大器和负半周信号放大器均接入输出推挽电路，输出推挽电路输出的一部分交流信号通过反馈网络返回到运算放大器网络中。
参见图2，运算放大器网络的电路结构如下：
包括输入信号和5V电源，5V电源通过分压电阻后与输入信号一同接入运算放大器的正向输入端，运算放大器的反向输入端接入反馈网络发送的反馈信号，运算放大器的输出端连接信号反向网络和负半周信号放大器。
输入信号经过隔直电容耦合进电路，5V电源经过分压电阻R66产生的电压与反馈信号一同决定放大器输出的直流工作点，此直流工作点必须保证NPN三极管Q9保持微导通状态，防止电路输出产生交越失真。信号输入运算放大器网络后，会在输出端产生一个与输入信号反向的输出信号，此信号用于反向网络的输入以及后一级NPN三极管的驱动电压。
参见图3，信号反向网络的电路结构如下：
包括运算放大器，5V电源通过分压电阻后将2.5V参考电位送入运算放大器的正向输入端，运算放大器的负向输入端接收运算放大器网络发送的信号，运算放大器将信号反向输出至正半周信号放大器。
正半周信号放大器和负半周信号放大器的电路结构如下：
正半周信号放大器包括PNP型三极管Q5和NPN型三极管Q6，信号反向网络输出的信号发送至三极管Q6的基极，三极管Q6的集电极连接电源和三极管Q5的基极，三极管Q6的发射极通过稳压电路连接三极管Q6的基极，三极管Q5的发射极连接电源，三极管Q5的集电极发送输出信号至输出推挽电路；
负半周信号放大器包括NPN型三极管Q9，三极管Q9的基极接收运算放大器网络发送的负半周信号，三极管Q9的发射极通过稳压电路连接三极管Q9的基极，三极管Q9的集电极发送输出信号至输出推挽电路。
三极管Q9的集电极连接电阻R59的一端，电阻R59的另一端连接二极管D15的负极，二极管D15的正极连接稳压二极管D13的正极，稳压二极管D13的负极连接三极管Q5的集电极。
运算放大网络产生的信号经过反向网络产生与输入同向变化的信号用来驱动三极管Q6，当输入信号幅度相对于静态工作点为正时，三极管Q6的驱动电压相对于工作点为正，三极管Q9的驱动电压相对于工作点为负，此时三极管Q9截止三极管Q6导通，三极管Q6处于反向放大状态，三极管Q6的集电极输出电压随输入的增大而减小，导致PNP三极管Q5栅极电压降低，三极管Q5进入放大区，电源通过三极管Q5给输出端充电，此时输出端信号与输入端信号同向，为下一级推挽电路提供驱动信号。输入信号幅度相对于静态工作点为负时，三极管Q6驱动电压为负，三极管Q9驱动电压为正，此时三极管Q6截止三极管Q9导通进入反相放大区，输出端通过三极管Q9放电，在一个输入信号周期中晶体管三极管Q9和三极管Q6分别对正负半周信号进行放大，因此在选择晶体管的时候应该尽可能选同一生产厂家的同一批号的晶体管作为放大管，保证放大倍数近似相等。其中输出端包括了稳压二极管D13、二极管D15和电阻R59，这三个器件一起与三极管Q5静态电流形成使后一级推挽电路处于微导通的电压，用以保证输出没有交越失真，同时，过大的电压将会导致功耗的急剧增加，过小的电压将导致交越失真。上述器件的值的选取应当取决于三极管Q5的静态电流以及推挽电路的MOS管的开启电压。压差应为开启电压的2倍。
参见图4和图5，输出推挽电路的电路结构如下：
包括PMOS管Q7和NMOS管Q8，PMOS管Q7的栅极输入正半周信号放大器发送的信号，NMOS管Q8的栅极输入负半周信号放大器发送的信号，PMOS管Q7的源极连接电源，PMOS管Q7的漏极作为输出端，NMOS管Q8的源极接地，NMOS管Q8的漏极作为输出端。
PMOS管Q7的栅极连接稳压二极管D4的负极，稳压二极管D4的正极连接PMOS管Q7的源极；
NMOS管Q8的栅极连接稳压二极管D5的正极，稳压二极管D5的负极连接NMOS管Q8的源极。
反馈网络包括电容C34，电容C34设置在输出推挽电路的输出端与运算放大器网络之间。
当正半周信号输入时PMOS管Q7导通，NMOS管Q8截止，此时电源通过PMOS管Q7给输出端充电，输出信号与输入同向。当负半周信号输入时NMOS管Q8导通，PMOS管Q7截止，输出端通过PMOS管Q7放电。输出信号通过隔直电容将交流信号输出。
参见图5，本发明的输出端通过连接分压电阻，将合适的反馈电压信号输出到图2所示的运算放大器的同相输入端，通过合适的反馈可以将整个系统维持在所需的静态工作点附近。当输入信号为正(相对于静态工作点)时，通过以上对于每部分的信号状态描述，可以知道，此时输出端信号为正，因此反馈端应接至运算放大器的同向端，来构成负反馈维持系统稳定。同时，由于多级放大器的影响，可能导致系统存在稳定性问题，此时需在反馈端加电容C34，适当调节电容大小，便可保持系统稳定。
参见图6，现有技术工作时的充放电过程如下：
三极管Q5构成电流源给后级电路供电，当为后级充电时，三极管Q5提供三极管Q9正常工作的电流I3以及后级需要的电流I1。即，三极管Q5提供的电流不全是用于后级的充电，有相当一部分通过三极管Q9流失。当后级放电时，流过三极管Q9的电流为三极管Q5供电电流I3和需要放电的电流I2。即，三极管Q9放电能力一部分被I3占用。这样造成的后果是，在拥有同等充放电能力的三极管Q5和三极管Q9的情况下，很大程度上减小了对后级电路的充放电能力。并且，在正常工作时，三极管Q9始终处于导通状态用以维持正常的放大作用，造成了电流的浪费，提高了功耗，使得选取三极管Q9时必须考虑耗散功率较大的三极管，但满足此条件的三极管很难寻找。同时，由于此结构造成三极管Q5供电电流恒定，因此当三极管Q9放电能力较I3与I2的和小或大时，都会造成信号的失真。具体参见图7说明。当三极管Q9放电能力较小时，将出现充电较快，放电较慢的输出波形。当三极管Q9放电能力较大时，将出现充电慢，放电快的输出波形，两种情况都将会导致波形的失真。
参见图8，本发明结构的充放电过程如下：
当正半周工作时，三极管Q9截止三极管Q5导通，此时三极管Q5为后级充电，没有额外的电流流经三极管Q9，电流全部作用于为后级的充电，负半周工作时，三极管Q5截止三极管Q9导通，此时三极管Q9为后级电路放电，没有额外的电流通过三极管Q9释放掉。这样，保证了三极管Q5和三极管Q9的充放电能力全部作用于后级电路，没有图7中的工作电流I3，较普通电路拥有更好的驱动能力。同时，在工作中总有一个三极管处于截止状态，降低了功耗。当选择三极管Q5和三极管Q9为对称管时，充放电能力相同，从而保证了波形的完整。
Claims (8)
1.一种大功率线性高频放大器，其特征在于，包括接收输入信号的运算放大器网络，运算放大器网络的输出接入信号反向网络和负半周信号放大器，信号反向网络的输出接入正半周信号放大器，正半周信号放大器和负半周信号放大器均接入输出推挽电路，输出推挽电路输出的一部分交流信号通过反馈网络返回到运算放大器网络中。
2.根据权利要求1所述的一种大功率线性高频放大器，其特征在于，运算放大器网络的电路结构如下：
包括输入信号和5V电源，5V电源通过分压电阻后与输入信号一同接入运算放大器的正向输入端，运算放大器的反向输入端接入反馈网络发送的反馈信号，运算放大器的输出端连接信号反向网络和负半周信号放大器。
3.根据权利要求1所述的一种大功率线性高频放大器，其特征在于，信号反向网络的电路结构如下：
包括运算放大器，5V电源通过分压电阻后将2.5V参考电位送入运算放大器的正向输入端，运算放大器的负向输入端接收运算放大器网络发送的信号，运算放大器将信号反向输出至正半周信号放大器。
4.根据权利要求1所述的一种大功率线性高频放大器，其特征在于，正半周信号放大器和负半周信号放大器的电路结构如下：
正半周信号放大器包括PNP型三极管Q5和NPN型三极管Q6，信号反向网络输出的信号发送至三极管Q6的基极，三极管Q6的集电极连接电源和三极管Q5的基极，三极管Q6的发射极通过稳压电路连接三极管Q6的基极，三极管Q5的发射极连接电源，三极管Q5的集电极发送输出信号至输出推挽电路；
负半周信号放大器包括NPN型三极管Q9，三极管Q9的基极接收运算放大器网络发送的负半周信号，三极管Q9的发射极通过稳压电路连接三极管Q9的基极，三极管Q9的集电极发送输出信号至输出推挽电路。
5.根据权利要求4所述的一种大功率线性高频放大器，其特征在于，三极管Q9的集电极连接电阻R59的一端，电阻R59的另一端连接二极管D15的负极，二极管D15的正极连接稳压二极管D13的正极，稳压二极管D13的负极连接三极管Q5的集电极。
6.根据权利要求1所述的一种大功率线性高频放大器，其特征在于，输出推挽电路的电路结构如下：
包括PMOS管Q7和NMOS管Q8，PMOS管Q7的栅极输入正半周信号放大器发送的信号，NMOS管Q8的栅极输入负半周信号放大器发送的信号，PMOS管Q7的源极连接电源，PMOS管Q7的漏极作为输出端，NMOS管Q8的源极接地，NMOS管Q8的漏极作为输出端。
7.根据权利要求6所述的一种大功率线性高频放大器，其特征在于，PMOS管Q7的栅极连接稳压二极管D4的负极，稳压二极管D4的正极连接PMOS管Q7的源极；
NMOS管Q8的栅极连接稳压二极管D5的正极，稳压二极管D5的负极连接NMOS管Q8的源极。
8.根据权利要求1所述的一种大功率线性高频放大器，其特征在于，反馈网络包括电容C34，电容C34设置在输出推挽电路的输出端与运算放大器网络之间。
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| CN110708030A (zh) * | 2019-10-08 | 2020-01-17 | 四川泰猷科技有限公司 | 一种功率放大电路、方法及装置 |
| CN114244291A (zh) * | 2021-12-17 | 2022-03-25 | 深圳市晶扬电子有限公司 | 功率驱动放大电路及方法 |
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