CN111293990B - 功率放大器、超声刀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率放大器、超声刀。该功率放大器包括放大器模块、检测模块和反馈模块；放大器模块包括晶体管；检测模块电连接至晶体管的源极，用于获取与晶体管相关的第一参数，并将第一参数发送至反馈模块；反馈模块电连接检测模块和晶体管的栅极，用于根据第一参数调节晶体管的栅极偏置电压。现有的功率放大器通常在源极上串联大电阻,依靠电阻使静态工作点基本稳定，但是该方法会导致大量的功率消耗在源极电阻上。本发明通过反馈模块调整晶体管的栅极偏置电压能够有效抑制温度及器件个体差异等因素对静态偏置电流的影响。

Description

功率放大器、超声刀

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种功率放大器、超声刀。

背景技术

随着医疗器械的不断发展，越来越多的传统外科治疗被微创治疗所取代。在微创外科手术中，为了实现组织的切割和闭合，超声刀成为了必不可少的设备。传统的超声刀通常包括金氧半场效晶体管(Metal－Oxide－Semiconductor Field－Effect Transistor，简称为MOSFET)功率放大器。应用于超声刀的MOSFET功率放大器，需要在相对稳定的偏置电流下工作。由于静态偏置电流受温度等因素的影响较为显著，因此常采用负反馈的方法稳定静态工作点。现有的方法是在MOSFET的源极上串联大电阻，依靠电阻使静态工作点基本稳定，但是该方法会导致大量的功率消耗在源极电阻上。现有的方法还包括使用温度特性非常稳定的MOSFET，但是可以使用的MOSFET型号非常有限。

因此，如何避免温度等因素影响功率放大器的静态偏置电流进而影响超声刀的性能成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和始终研究的重点。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种功率放大器，以解决温度等因素功率放大器静态偏置电流的问题。

为此，本发明实施例提供了如下技术方案：

本发明第一方面提供了一种功率放大器，包括放大器模块、检测模块和反馈模块；

所述放大器模块包括晶体管；

所述检测模块电连接至所述晶体管的源极，用于获取与所述晶体管相关的第一参数，并将所述第一参数发送至所述反馈模块；

所述反馈模块电连接所述检测模块和所述晶体管的栅极，用于根据所述第一参数调节所述晶体管的栅极偏置电压。

进一步地，所述放大器模块包括晶体管的数量为一，所述功率放大器包括第一电阻，其中，所述第一电阻电连接至所述晶体管的源级，用于对流经所述晶体管的电流进行采集，并将得到的第一采集结果经由所述检测模块发送至所述反馈模块。

进一步地，所述检测模块用于区分所述第一电阻采集的流经所述晶体管的直流电流和交流电流，并将区分得到的直流电流和交流电流发送至所述反馈模块。

进一步地，所述放大器模块包括第一晶体管和第二晶体管；所述检测模块电连接至所述第一晶体管的源极和所述第二晶体管的源级，用于获取与所述第一晶体管和所述第二晶体管相关的第二参数，并将所述第二参数发送至所述反馈模块；所述反馈模块电连接所述检测模块和所述第一、第二晶体管的栅极，用于根据所述第二参数调节所述第一、第二晶体管的栅极偏置电压。

进一步地，所述功率放大器包括第二电阻和第三电阻，其中，所述第二电阻电连接至所述第一晶体管的源级，用于对流经所述第一晶体管的电流进行采集，并将得到的第二采集结果经由所述检测模块发送至所述反馈模块；所述第三电阻电连接至所述第二晶体管的源级，用于对流经所述第二晶体管的电流进行采集，并将得到的第三采集结果经由所述检测模块发送至所述反馈模块。

进一步地，所述反馈模块用于根据所述第二采集结果和所述第三采集结果进行PID运算得到第一偏置电压和第二偏置电压；并将所述第一偏置电压发送至所述第一晶体管的栅极，将所述第二偏置电压发送至所述第二晶体管的栅极。

进一步地，所述反馈模块具体用于：

根据所述第二采集结果计算流经所述第一晶体管的直流电流的第一平均值；

根据所述第三采集结果计算流经所述第二晶体管的直流电流的第二平均值；

根据所述第二采集结果和所述第三采集结果计算流经所述第一晶体管和所述第二晶体管的交流电流的差值的绝对值；

根据所述第一平均值和所述绝对值进行PID运算得到所述第一偏置电压；

根据所述第二平均值和所述绝对值进行PID运算得到所述第二偏置电压。

进一步地，所述功率放大器还包括反向电路模块；

所述反向电路模块电连接至所述第一晶体管的栅极和所述第二晶体管的栅极，用于产生反向信号。

进一步地，所述功率放大器还包括变压器；

所述变压器的初级线圈的一端连接所述第一晶体管的漏极，另一端连接所述第二晶体管的漏极。

本发明第二方面提供了一种超声刀，包括第一方面任一实施例所述的功率放大器。

本发明实施例技术方案，具有如下优点：

本发明实施例提供了一种功率放大器。现有的功率放大器通常在源极上串联大电阻，依靠电阻使静态工作点基本稳定，但是该方法会导致大量的功率消耗在源极电阻上。本发明通过反馈模块调整晶体管的栅极偏置电压能够有效抑制温度及器件个体差异等因素对静态偏置电流的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了一种现有功率放大器的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的功率放大器的结构示意图；

图3是根据本发明优选实施例的功率放大器的结构示意图；

图4是根据本发明另一个优选实施例的功率放大器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明提供的一种功率放大器、超声刀的技术方案进行清楚、完整地描述，显然地，所描述的实施例仅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，本领域技术人员在没有作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。

在本发明的描述中，需理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能将其理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本发明中被描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本发明，给出了以下描述。在以下描述中，本发明为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，即使在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本发明。在其它的实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本发明的描述变得晦涩。因此，本发明并非旨在限于所示的实施例，而是应与符合本发明所公开的原理和特征的最广范围相一致。

图1示出了一种现有功率放大器的结构示意图。如图1所示，该MOSFET功率放大器，需要在相对稳定的偏置电流下工作。由于静态偏置电流受温度等因素影响等因素的影响较为显著，因此常采用负反馈的方法稳定静态工作点，常用的方法是在源极上串联大电阻，依靠电阻使静态工作点基本稳定，但是该方法会导致大量的功率消耗在源极电阻上。使用温度特性非常稳定的MOSFET，可以使用的MOSFET型号非常有限。

为了解决上述技术问题，本发明实施例中提供了一种功率放大器，可用于超声刀等医疗器械。图2是根据本发明实施例的功率放大器的结构示意图，如图2所示，该功率放大器包括放大器模块、检测模块和反馈模块。放大器模块包括晶体管，检测模块电连接至晶体管的源极，用于获取与晶体管相关的第一参数，并将第一参数发送至反馈模块，反馈模块电连接检测模块和晶体管的栅极，用于根据第一参数调节晶体管的栅极偏置电压。

本实施例中，晶体管可选为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET，简称为MOS管)、双极型晶体管(Bipolar Junction Transistor，简称为BJT)、绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，简称为IGBT)等半导体器件。第一参数优选包括流经该晶体管的电流。反馈模块根据需要调节晶体管的栅极偏置电压，使晶体管的静态工作点与期望工作点相匹配。检测模块可以区分流经晶体管的直流电流和交流电流。检测模块可以采用模拟电路，也可以采用模数转换器对反馈信号进行采样。反馈模块可以通过硬件实现，也可以通过软件算法或数字电路算法加数模转换实现。

区别于现有技术，本实施例提供了一种功率放大器通过反馈模块调整晶体管的栅极偏置电压能够有效抑制温度等因素对静态偏置电流的影响。与现有的在晶体管源极串联大电阻的功率放大器相比能够减少功率消耗。可适用于不同型号的晶体管。

在一个具体的实施方式中，放大器模块包括晶体管的数量为一，功率放大器包括第一电阻，其中，第一电阻电连接至晶体管的源级，用于对流经晶体管的电流进行采集，并将得到的第一采集结果经由检测模块发送至反馈模块。

本实施例中，第一电阻为功耗较小的电流采样电阻。与现有的在晶体管源极串联大电阻的功率放大器相比能够减少功率消耗。

在一个具体的实施方式中，检测模块用于区分第一电阻采集的流经晶体管的直流电流和交流电流，并将区分得到的直流电流和交流电流发送至反馈模块。

在一个具体实施方式中，输入信号通过电容C接入MOS管Q的栅极，MOS管Q的漏极电连接负载的一端，负载的另一端接入电源。电流采样电阻R1的一端接地，另一端电连接MOS管Q的源极。MOS管Q的源极电连接检测模块的输入端。检测模块的输出端通过电阻R电连接MOS管Q的栅极。MOS管Q用于对输入信号进行功率放大并输出给负载。电流采样电阻用于采集流经MOS管Q的电流。检测模块用于区分流经MOS管Q的直流电流和交流电流。反馈模块用于根据直流电流和交流电流调节MOS管Q的偏置电压。

本实施例中，反馈模块优选通过流经晶体管的直流电流的平均值和流经晶体管的交流电流的绝对值来调节偏置电压。

图3是根据本发明优选实施例的功率放大器的结构示意图。在一个具体的实施方式中，放大器模块包括第一晶体管和第二晶体管；检测模块电连接至第一晶体管的源极和第二晶体管的源级，用于获取与第一晶体管和第二晶体管相关的第二参数，并将第二参数发送至反馈模块；反馈模块电连接检测模块和第一、第二晶体管的栅极，用于根据第二参数调节第一、第二晶体管的栅极偏置电压。

本实施例中，第二参数可根据实际情况设置。例如，第二参数可选为流经第一晶体管和第二晶体管的电流、第一晶体管和第二晶体管的电压。反馈模块根据第二参数分别调节第一晶体管和第二晶体管的栅极偏置电压。通过本实施例能够根据实际情况控制每个晶体管的静态工作点。

在一个具体的实施方式中，功率放大器包括第二电阻和第三电阻，其中，第二电阻电连接至第一晶体管的源级，用于对流经第一晶体管的电流进行采集，并将得到的第二采集结果经由检测模块发送至反馈模块；第三电阻电连接至第二晶体管的源级，用于对流经第二晶体管的电流进行采集，并将得到的第三采集结果经由检测模块发送至反馈模块。

本实施例中，第二采集结果包括流经第一晶体管的直流电流和交流电流。第三采集结果包括流经第二晶体管的直流电流和交流电路。反馈模块优选包括对第一采集结果和第二采集结果进行加减法、滤波、非线性、条件判断等运算。

在一个具体的实施方式中，反馈模块用于根据第二采集结果和第三采集结果进行PID运算得到第一偏置电压和第二偏置电压；并将第一偏置电压发送至第一晶体管的栅极，将第二偏置电压发送至第二晶体管的栅极。

在一个具体的实施方式中，反馈模块用于根据第二采集结果计算流经第一晶体管的直流电流的第一平均值；根据第三采集结果计算流经第二晶体管的直流电流的第二平均值；根据第二采集结果和第三采集结果计算流经第一晶体管和第二晶体管的交流电流的差值的绝对值；根据第一平均值和绝对值进行PID运算得到第一偏置电压；根据第二平均值和绝对值进行PID运算得到第二偏置电压。

本实施例中，比例积分微分处理(PID)运算还包括参考值，该参考值优选随着不同的电流和/或不同的工作模式而变化。通过第二采集结果、第三采集结果和工作模式来进行PID控制，得到第一偏置电压和第二偏置电压提高了快速性和准确性。

在一个具体的实施方式中，还包括反向电路模块。反向电路模块电连接至第一晶体管的栅极和第二晶体管的栅极，用于产生反向信号。

本实施例中，该功率放大器为推挽式功率放大器，每个晶体管的静态工作点可控。

在一个具体的实施方式中，还包括变压器；变压器的初级线圈的一端接入第一晶体管的漏极，另一端接入第二晶体管的漏极。

在一个具体的实施方式中，输入信号通过电容C1接入MOS管Q1的栅极，并通过反向电路模块产生反向信号，通过电容C2接入MOS管Q2的栅极。电流采样电阻R2一端接地，另一端电连接至MOS管Q1的源极。电流采样电阻R2用于检测流经MOS管Q1的电流。电流采样电阻R3一端接地，另一端连接至MOS管Q2的源极。电流采样电阻R3用于检测流经MOS管Q2的电流。检测模块的输入端电连接至MOS管Q1的源极和MOS管Q2的源级，输出端电连接至反馈模块的输入端。检测模块用于区分流经MOS管Q1的直流电流和交流电流，并发送至反馈模块。检测模块还用于区分流经MOS管Q2的直流电流和交流电流，并发送至反馈模块。反馈模块通过电阻R4电连接至MOS管Q1的栅极，用于将第一偏置电压发送至MOS管Q1的栅极。反馈模块通过电阻R5电连接至MOS管Q2的栅极，用于将第二偏置电压发送至MOS管Q2的栅极。MOS管Q1的漏极接入变压器T初级线圈的一端。MOS管Q2的漏极接入变压器T初级线圈的另一端。电源接入变压器T初级线圈的中间抽头。

图4是根据本发明另一个优选实施例的功率放大器的结构示意图。如图4所示，在一个具体的实施方式中，输入信号通过电容C1接入MOS管Q1的栅极，并通过反向电路模块产生反向信号，通过电容C2接入MOS管Q2的栅极。电流采样电阻R2一端接地，另一端电连接至MOS管Q1的源极。电流采样电阻R2用于检测流经MOS管Q1的电流。电流采样电阻R3一端接地，另一端连接至MOS管Q2的源极。电流采样电阻R3用于检测流经MOS管Q2的电流。检测模块的输入端电连接至MOS管Q1的源极和MOS管Q2的源级，输出端电连接至反馈模块的输入端。检测模块用于区分流经MOS管Q1的直流电流和交流电流，并发送至反馈模块。检测模块还用于区分流经MOS管Q2的直流电流和交流电流，并发送至反馈模块。反馈模块通过电阻R4电连接至MOS管Q1的栅极，用于将第一偏置电压发送至MOS管Q1的栅极。反馈模块通过电阻R5电连接至MOS管Q2的栅极，用于将第二偏置电压发送至MOS管Q2的栅极。MOS管Q1的漏极接入变压器T初级线圈的一端。MOS管Q2的漏极接入变压器T初级线圈的另一端。电源接入变压器T初级线圈的中间抽头。变压器T次级线圈的一端接入负载的一端，另一端通过电流传感器电连接负载的另一端。电流传感器电连接检测模块，用于检测流经负载的电流并发送至检测模块。检测模块还用于将流经负载的电流发送至反馈模块。反馈模块还用于根据流经负载的电流调节第一偏置电压和第二偏置电压。优选地，检测模块还用于获取负载电压、晶体管电压等参数并发送至反馈模块。反馈模块还用于根据负载电压、晶体管电压等参数调节偏置电压。

本实施例还提供一种超声刀，包括上述任一实施例的功率放大器。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (4)

1.一种功率放大器，其特征在于，包括放大器模块、检测模块和反馈模块；

所述放大器模块包括晶体管；

所述检测模块电连接至所述晶体管的源极，用于获取与所述晶体管相关的第一参数，并将所述第一参数发送至所述反馈模块；

所述反馈模块电连接所述检测模块和所述晶体管的栅极，用于根据所述第一参数调节所述晶体管的栅极偏置电压；

所述放大器模块包括第一晶体管和第二晶体管；所述检测模块电连接至所述第一晶体管的源极和所述第二晶体管的源级，用于获取与所述第一晶体管和所述第二晶体管相关的第二参数，并将所述第二参数发送至所述反馈模块；所述反馈模块电连接所述检测模块和所述第一、第二晶体管的栅极，用于根据所述第二参数调节所述第一、第二晶体管的栅极偏置电压；

所述功率放大器包括第二电阻和第三电阻，其中，所述第二电阻电连接至所述第一晶体管的源级，用于对流经所述第一晶体管的电流进行采集，并将得到的第二采集结果经由所述检测模块发送至所述反馈模块；所述第三电阻电连接至所述第二晶体管的源级，用于对流经所述第二晶体管的电流进行采集，并将得到的第三采集结果经由所述检测模块发送至所述反馈模块；

所述功率放大器还包括反向电路模块；

所述反向电路模块电连接至所述第一晶体管的栅极和所述第二晶体管的栅极，用于产生反向信号；

所述功率放大器还包括变压器；

所述变压器的初级线圈的一端连接所述第一晶体管的漏极，另一端连接所述第二晶体管的漏极。

2.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述反馈模块用于根据所述第二采集结果和所述第三采集结果进行PID运算得到第一偏置电压和第二偏置电压；并将所述第一偏置电压发送至所述第一晶体管的栅极，将所述第二偏置电压发送至所述第二晶体管的栅极。

3.根据权利要求2所述的功率放大器，其特征在于，所述反馈模块具体用于：

根据所述第二采集结果计算流经所述第一晶体管的直流电流的第一平均值；

根据所述第三采集结果计算流经所述第二晶体管的直流电流的第二平均值；

根据所述第二采集结果和所述第三采集结果计算流经所述第一晶体管和所述第二晶体管的交流电流的差值的绝对值；

根据所述第一平均值和所述绝对值进行PID运算得到所述第一偏置电压；

根据所述第二平均值和所述绝对值进行PID运算得到所述第二偏置电压。

4.一种超声刀，其特征在于，所述超声刀包括权利要求1－3任一项所述的功率放大器。