CN112671354A - 一种新型宽频高压级联线性放大器装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种新型宽频高压级联线性放大器装置，通过N个线性放大器模块进行级联，并在每个线性放大器模块中设置独立的直流电源模块，为其提供电源，从而可以对输入的电压信号进行N倍的放大，使得能够输出高电压。同时，通过采用线性光耦合电路对线性放大器电路进行信号传递，能隔离交流信号，起着绝缘与抗干扰作用，且大幅减少了交越失真，降低波形失真率，同时，通过线性放大器电路能够达到良好的线性度。

Description

一种新型宽频高压级联线性放大器装置

技术领域

本申请涉及线性放大器装置技术领域，尤其涉及一种新型宽频高压级联线性放大器装置。

背景技术

高压放大器是一种高电压幅度输出的信号放大器,其带宽响应一般为0.1mHz-20kHz，失真率小于1％，上升速率可达1000V/μs。而且，高压放大器分为单极和双极放大器，其中，单极放大器只能放大单极性直流或单极性脉冲信号，双极性放大器可放大任意交流或直流的信号。

高压线性放大器目前主要用于工业及研究领域，主要有介电谱探测、压力材料生产、电光调节等。在高压频域介电谱测量过程中，复杂的现场环境会影响线性放大器的线性度和压摆率，导致其测试准确性和诊断可靠性降低，若使用的高压放大器性能优良，可以大幅提升实验结果的准确性。通常对高压放大器的要求是在电压输出较高的情况下，应能提供一定程度的电流，还必须具有优良的线性和压摆率。

目前有很多方法可以实现放大电压，如通过变压器，可以迅速将低压抬升为高压，但变压器型电压放大器不能生成频率较宽的正弦电压，方波和三角波的电压。此外，在频域介电谱试验中，超低频的激励源电压是不可缺少的，显然变压器难以准确耦合超低频信号。高压放大器目前大多数采用有很高的耐压性能的高压耐压仪器实现，但受器件耐压水平的限制，一般电压不高，而且因其绝缘成本太高，导致无法推广使用。

Cartasegna d等人基于开关模块原理，设计实现了一种高电压输出、输出功率较大、转换效率较高的D类放大器，其虽然能够实现高电压输出，转换效率较高，但由于其自身固有的开关模式，导致放大后的信号波形畸变不可避免，故输出电压波形存在交越失真。

美国Trek公司采用P沟道与N沟相互补的MOSFET，制成了第一台全固体、电压高至20kV、速度快的放大器，其虽然工作频带足够宽，但其同样在零点处存在交越失真。

Liu X，Liu S等人设计出一种由开关管放大器和线性放大器混合的放大器，简称SLH放大器，使得信号被放大后的波形畸变率大幅度下降，但混合放大器的线性度还是远远低于线性放大器的。

发明内容

本申请提供了一种新型宽频高压级联线性放大器装置，用于解决输出电压较低、波形失真率较高以及线性度较低的技术问题。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种新型宽频高压级联线性放大器装置，其特征在于，包括：信号发生器和N个线性放大器模块与N个直流电源模块；

所述N个直流电源模块与所述N个线性放大器模块分别一一对应连接，用于为各自对应连接的线性放大器模块提供直流电源，所述N个直流电源模块之间相互绝缘；

所述N个线性放大器模块通过串联进行级联，所述N个线性放大器模块均包括线性光隔离电路和线性放大器电路；

所述信号发生器的输入端与所述线性光隔离电路的输入端电连接，所述线性光隔离电路的输出端与所述线性放大器模块的输入端电连接，所述直流电源模块的输出端与所述线性放大器模块电连接。

优选地，所述线性放大器电路包括左侧放大器电路和右侧放大器电路，所述左侧放大器电路包括运算放大器A₁、运算放大器A₂和运算放大器A₃，所述运算放大器A₁、所述运算放大器A₂和所述运算放大器A₃依次串联构成负反馈电路，所述运算放大器A₂的预设放大电压倍数为20倍，所述运算放大器A₁和所述运算放大器A₃为所述运算放大器A₂提供电源，所述右侧放大器电路与所述左侧放大器电路电连接且互为对称电路，所述右侧放大器电路包括运算放大器A₄、运算放大器A₅和运算放大器A₆，所述运算放大器A₄、所述运算放大器A₅和所述运算放大器A₆依次串联构成负反馈电路，所述运算放大器A₅的预设放大电压倍数为20倍，所述运算放大器A₄和所述运算放大器A₆为所述运算放大器A₅提供电源，从而所述线性放大器的放大电压倍数为40倍，进而所述N个线性放大器模块通过串联实现对输入电压进行40N倍的放大。

优选地，所述运算放大器A₁、所述运算放大器A₂、所述运算放大器A₃、所述运算放大器A₄、所述运算放大器A₅和所述运算放大器A₆均采用OPA454运算放大器。

优选地，所述线性光隔离电路为由两个HCNR201光电耦合器组成的双极性隔离电路。

优选地，所述线性光隔离电路设有电压跟随器。

优选地，所述线性光隔离电路包括具有开尔文连接的电路结构。

优选地，所述N个直流电源模块均通过隔离变压器与外部电网电连接。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请提供了一种新型宽频高压级联线性放大器装置，通过N个线性放大器模块进行级联，并在每个线性放大器模块中设置独立的直流电源模块，为其提供电源，从而可以对输入的电压信号进行N倍的放大，使得能够输出高电压。同时，通过采用线性光耦合电路对线性放大器电路进行信号传递，能隔离交流信号，起着绝缘与抗干扰作用，且大幅减少了交越失真，降低波形失真率，同时，通过线性放大器电路能够达到良好的线性度。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种新型宽频高压级联线性放大器装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种新型宽频高压级联线性放大器装置中线性放大器电路的电路图；

图3为本申请实施例提供的一种新型宽频高压级联线性放大器装置中线性光隔离电路的电路图；

图4为本申请实施例提供的一级高压放大电路和两级级联高压放大电路频率响应曲线。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本申请提供的一种新型宽频高压级联线性放大器装置，包括：信号发生器和N个线性放大器模块与N个直流电源模块；

N个直流电源模块与N个线性放大器模块分别一一对应连接，用于为各自对应连接的线性放大器模块提供直流电源，N个直流电源模块之间相互绝缘；

N个线性放大器模块通过串联进行级联，N个线性放大器模块均包括线性光隔离电路和线性放大器电路；

信号发生器的输入端与线性光隔离电路的输入端电连接，线性光隔离电路的输出端与线性放大器模块的输入端电连接，直流电源模块的输出端与线性放大器模块电连接。

可以理解的是，根据实际对输入电压的放大倍数需求设定N值。

在本实施例中，如图1所示，信号发生器设有三个输出端，分别与3个线性光隔离电路Opto₁、Opto₂和Opto₃的输入端电连接，3个线性光隔离电路Opto₁、Opto₂和Opto₃的输出端再分别与3个线性放大器电路AMP₁、AMP₂和AMP₃的输入端电连接，同时，通过3个线性放大器模块进行串联，并有3个直流电源模块US₀、US₁和US₂分别与3个线性放大器电路AMP₁、AMP₂和AMP₃电连接，3个直流电源模块US₀、US₁和US₂之间相互绝缘，用于为各自对应连接的线性放大器模块提供直流电源。

进一步地，如图2所示，线性放大器电路包括左侧放大器电路和右侧放大器电路，左侧放大器电路包括运算放大器A1、运算放大器A2和运算放大器A3，运算放大器A1、运算放大器A2和运算放大器A3依次串联构成负反馈电路，运算放大器A2的预设放大电压倍数为20倍，运算放大器A1和运算放大器A3为运算放大器A2提供电源，右侧放大器电路与左侧放大器电路电连接且互为对称电路，右侧放大器电路包括运算放大器A4、运算放大器A5和运算放大器A6，运算放大器A4、运算放大器A5和运算放大器A6依次串联构成负反馈电路，运算放大器A5的预设放大电压倍数为20倍，运算放大器A4和运算放大器A6为运算放大器A5提供电源，从而线性放大器的放大电压倍数为40倍，进而N个线性放大器模块通过串联实现对输入电压进行40N倍的放大。

同时，线性放大器电路中的输入端Input用于连接线性光隔离电路的输出端，其输出端OUT直接产生几千伏电压的宽频信号，可用于高压宽频介电谱测量，其正向供电电源VCC和负向供电电源VEE用于连接直流电源模块，以接入外部电源。

可以理解的是，将N个线性放大器模块进行级联后，每级线性放大器模块都有独立的直流电源提供电源，采用线性光耦合电路对线性放大器电路进行信号传递，最终实现对输入电压信号的40n的放大倍数。

进一步地，运算放大器A1、运算放大器A2、运算放大器A3、运算放大器A4、运算放大器A5和运算放大器A6均采用OPA454运算放大器。

可以理解的是，基于OPA454运算放大器设计的线性放大器电路不仅能达到良好的线性度，而且能够放大任意波形的电压。

进一步地，如图3所示，线性光隔离电路为由两个HCNR201光电耦合器组成的双极性隔离电路。

可以理解的是，电气隔离可以避免电路带来的震荡，从而保证不会将震荡传回到前端影响电路性能，而本实施例中采用由两个HCNR201光电耦合器组成的双极性隔离电路可以保障输入输出信号的有效隔离，并通过正反互补电路配合，能隔离交流信号，起着绝缘与抗干扰作用，且大幅减少了交越失真。

同时，在本实施例中，线性光隔离电路中设置的放大器OP07构成了电压跟随器，从而隔离和缓冲的作用，在电阻R1固定的情况下，电阻R2的电阻值可以决定三极管2N3906组成放大电路的基极电压值，在一般示例中，通过增大电阻R2的电阻值，使基极电压值降低，增益减小。因此不再需要设计其他的偏置电路来调节增益。

进一步地，线性光隔离电路包括具有开尔文连接的电路结构。

其中，在放大器OP07的输入端和输出端采用开尔文式连接，能够减小由线路传输过程中产生的误差，提高输出精度。并且，可以保持输出信号的幅值跟随输入信号的幅值，二者的比例保持一致，并在一定的频域段内两者的相位偏移量保持不变。

进一步地，N个直流电源模块均通过隔离变压器与外部电网电连接。

可以理解的是，直流电源模块通过隔离变压器与外部电网电连接，可以减少外部谐波污染。

在本实施例中，将各级线性放大器模块级联后，可以使增益变大，放大器放大倍数为40n，为验证高压放大器的频域性能，分别测试一级高压放大电路和两级级联高压放大电路的频率响应曲线，测试频率范围为10^-3～10⁵Hz，测试结果如图4所示，图中，一个单元表示一级高压放大电路，2个单元表示两级级联高压放大电路，其中，两级级联高压放大器的输入电压幅值为8V，输出电压幅值为640V。从图可以看出，两级级联放大电路可对输入电压信号放大80倍。

通过对比一级电压放大电路和两级电压放大电路的频率响应曲线，随着级联数量增加，则放大器增益增大，但相位基本重合，也即输出通频带不会随着级联倍数的增加而改变，保证了放大电路输出波形的质量。级联放大电路由于级联单元的存在，可以将通频带调节得更宽、电路增益更高，调节方式也更加多样灵活；与此同时，每个级联单元相互级联后，整体电路的输出电压成倍增加，输出电流幅值与每级电路的幅值相同，输出电流阈值主要由每级放大器芯片的阈值决定。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种新型宽频高压级联线性放大器装置，其特征在于，包括：信号发生器和N个线性放大器模块与N个直流电源模块；

所述N个直流电源模块与所述N个线性放大器模块分别一一对应连接，用于为各自对应连接的线性放大器模块提供直流电源，所述N个直流电源模块之间相互绝缘；

所述N个线性放大器模块通过串联进行级联，所述N个线性放大器模块均包括线性光隔离电路和线性放大器电路；

所述信号发生器的输入端与所述线性光隔离电路的输入端电连接，所述线性光隔离电路的输出端与所述线性放大器模块的输入端电连接，所述直流电源模块的输出端与所述线性放大器模块电连接。

2.根据权利要求1所述的新型宽频高压级联线性放大器装置，其特征在于，所述线性放大器电路包括左侧放大器电路和右侧放大器电路，所述左侧放大器电路包括运算放大器A₁、运算放大器A₂和运算放大器A₃，所述运算放大器A₁、所述运算放大器A₂和所述运算放大器A₃依次串联构成负反馈电路，所述运算放大器A₂的预设放大电压倍数为20倍，所述运算放大器A₁和所述运算放大器A₃为所述运算放大器A₂提供电源，所述右侧放大器电路与所述左侧放大器电路电连接且互为对称电路，所述右侧放大器电路包括运算放大器A₄、运算放大器A₅和运算放大器A₆，所述运算放大器A₄、所述运算放大器A₅和所述运算放大器A₆依次串联构成负反馈电路，所述运算放大器A₅的预设放大电压倍数为20倍，所述运算放大器A₄和所述运算放大器A₆为所述运算放大器A₅提供电源，从而所述线性放大器的放大电压倍数为40倍，进而所述N个线性放大器模块通过串联实现对输入电压进行40N倍的放大。

3.根据权利要求2所述的新型宽频高压级联线性放大器装置，其特征在于，所述运算放大器A₁、所述运算放大器A₂、所述运算放大器A₃、所述运算放大器A₄、所述运算放大器A₅和所述运算放大器A₆均采用OPA454运算放大器。

4.根据权利要求1所述的新型宽频高压级联线性放大器装置，其特征在于，所述线性光隔离电路为由两个HCNR201光电耦合器组成的双极性隔离电路。

5.根据权利要求1或4所述的新型宽频高压级联线性放大器装置，其特征在于，所述线性光隔离电路设有电压跟随器。

6.根据权利要求5所述的新型宽频高压级联线性放大器装置，其特征在于，所述线性光隔离电路包括具有开尔文连接的电路结构。

7.根据权利要求1所述的新型宽频高压级联线性放大器装置，其特征在于，所述N个直流电源模块均通过隔离变压器与外部电网电连接。

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