CN116232257B - 高压波形放大系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高压波形放大系统，包括有高压光电导开关模块及可调制光源模块，可调制光源模块用于照射高压光电导开关模块。该高压波形放大系统，能够大幅提升目前电压放大器的工作电压、工作带宽。还公开了高压波形放大方法。
Description
技术领域
本发明属于电信号功率放大技术领域，具体涉及一种高压波形放大系统，还涉及一种高压波形放大方法。
背景技术
光电导开关(Photoconductive Semiconductor Switches,简称PCSS)是超短脉冲激光器与光电导体相结合形成的一类新型开关器件。与传统的气体开关、液体开关相比，光电导开关具有开关速度快(亚ns)、触发无晃动(亚ps)、寄生电感小(nH)、承载电流密度大(106A/cm2)、可控制的电流导通时间、高阻断电场(100kV/cm)、重复频率高、结构简单紧凑等特点。使其成为超高速电子学和大功率脉冲产生与整形技术领域最具发展潜力的固态开关器件。
高压放大器，或者功率放大器，高压功率放大器，都是指同一种测试仪器，主要是对信号源或者波形发生器的波形进行功率和幅度的放大，通过驱动和激励MEMS、光电、压电、纳米等器件和电路，从而完成实验研究。
目前市场上现有的高压放大器电压达到几千伏后，电流只有十几毫安，功率很难提高，当电压达到数十千伏后，其带宽急剧下降，一般小于5kHz。随着工业、军事等领域对高功率器件的需求越来越迫切，对波形多样性和压摆率的要求越来越高，现有技术难以满足应用需求。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种高压波形放大系统，能够大幅提升目前电压放大器的工作电压、工作带宽。
本发明的第二个目的是提供一种高压波形放大方法。
本发明所采用的第一个技术方案是，高压波形放大系统，包括有高压光电导开关模块及可调制光源模块，可调制光源模块用于照射高压光电导开关模块。
本发明的特征还在于，
可调制光源模块包括有依次连接的信号源、低压功率放大器、低压功率放大器电源；还包括有依次连接的偏置电路、可调制光源及直流低压电源；低压功率放大器还与直流低压电源连接；
高压光电导开关模块包括相互连接的直流高压电源及光电导开关组；光电导开关组用于接收可调制光源发射的光信号，光电导开关的电阻随光信号的强度正比例变化。
信号源采用函数信号发生器。
光电导开关组由若干个光电导开关串联或并联组成；直流高压电源为若干个光电导开关供电。
光电导开关包括有光电导开关基材层，光电导开关基材层一侧表面设置有两个欧姆电极。
光电导开关基材层为砷化镓层、氮化镓层、磷化铟层、高阻硅层或碳化硅层。
本发明所采用的第二个技术方案是，高压波形放大方法，采用上述的高压波形放大系统，具体为：
信号源发出任意波信号通过电缆线输入到低压功率放大器，低压功率放大器由低压功率放大器电源供电，低压功率放大器通过偏置电路输出信号，偏置后的任意波功率信号将全部变为正电压，用于驱动可调制光源，获得由输入信号高速调制后的高速调制光源，直流低压电源为可调制光源发光提供所需的额定电压；直流高压电源依次与光电导开关组和负载串联；利用高速调制光源照射光电导开关组中的若干个光电导开关，若干个光电导开关均导通，其通态电阻受到调制光源的控制，从而达到利用调制光源控制高压回路电流的目的。
本发明的有益效果是：
(1)本发明系统中高压光电导开关模块具有响应速度快，耐压高，体积小，性能稳定，使用寿命长，寄生电容电感小等优点，能够大幅提升目前电压放大器的工作电压、工作带宽。
(2)本发明方法可以将任意波放大至几百千伏的高电压，电流可达1A，频率不小于1MHz，压摆率大于10kV/us。
附图说明
图1为本发明高压波形放大系统的结构示意图；
图2为光电导开关的结构示意图；
图3为300KHz的锯齿波放大图；
图4为1MHz的任意波放大图；
图5为2MHz的整流正玄波放大图。
图中，1.信号源，2.低压功率放大器，3.低压功率放大器电源，4.可调制光源，5.直流高压电源，6.光电导开关组，7.负载，8.偏置电路，9.直流低压电源；
6-1.光电导开关基材层，6-2.欧姆电极；A.照射光源。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供高压波形放大系统，如图1所示，包括有高压光电导开关模块及可调制光源模块，可调制光源模块用于照射高压光电导开关模块。
可调制光源模块包括有依次连接的信号源1(40M信号源，飞逸)、低压功率放大器2(100W，飞逸)、低压功率放大器电源3；还包括有依次连接的偏置电路8、可调制光源4及直流低压电源9偏置电路8；
高压光电导开关模块包括相互连接的直流高压电源5(50kV直流高压电源，天津恒博)及光电导开关组6，光电导开关组6还连接有负载7；光电导开关组用于接收可调制光源发射的光信号，，光电导开关的电阻随光信号的强度正比例变化。
信号源1采用函数信号发生器(可以任意波形，1KHz-5MHz，20mA电流输出)。
可调制光源4为LED阵列(LED阵列采用LED灯珠，CREE.inc)或者光波形可调激光器以及其他波形可调的光源。
直流低压电源9能够刚好满足可调制光源4(LED阵列)发光所需的额定电压；
偏置电路8偏置低压功率放大器2输出的各种波形，使其幅值都为正值，能在LED阵列的线性工作区对其进行调制；
光电导开关组6由若干个光电导开关串联或并联组成；直流高压电源5为若干个光电导开关供电。
如图2所示，光电导开关包括有光电导开关基材层6-1，光电导开关基材层6-1一侧表面设置有两个欧姆电极6-2。
光电导开关基材层6-1为砷化镓层、氮化镓层、磷化铟层、高阻硅层或碳化硅层。
本发明系统的原理是，利用函数发生器产生的各种函数波形电信号，经过低压功率放大后，控制LED灯的发光功率随信号波形调制，利用LED产生的照射光源A照射高电压偏置(可以达到几十kV甚至数百kV)的高压光电导开关，通过调制光能够控制光电开关的导通电阻，从而控制输出电流，输出电压，在负载上获得数十kV至数百kV的高压调制波形。
本发明还提供一种高压波形放大方法，采用上述的高压波形放大系统，具体为：
函数信号发生器发出任意波信号通过电缆线输入到低压功率放大器2，低压功率放大器2由低压功率放大器电源3供电，低压功率放大器2通过偏置电路8输出信号，骗纸后的任意波功率信号用于驱动LED(或者其它可调制光源)，获得由输入信号高速调制后的高速调制光源(可调制光源4)；直流高压电源5依次与光电导开关组和负载7串联，当光电导开关关断时，负载上无电压电流输出；直流低压电源9为高速调制光源(LED阵列)发光提供所需的额定电压；利用高速调制光源照射光电导开关组中的若干个光电导开关，若干个光电导开关均导通，光电导开关的通态电阻收到调制光源的控制，从而达到利用调制光源控制高压回路电流的目的，负载7(3MΩ，10W)上可以达到的调制后的高电压和电流。本发明方法可以将任意波放大至几百千伏的高电压，电流可达1A，100kHz以上，压摆率大于10kV/us，如图3-5所示，图3为300KHz的锯齿波放大图，放大电压50KV；图4为1MHz的任意波放大图，放大电压50KV；图5为2MHz的整流正弦波放大图，放大电压50KV，通过偏置电路给LED灯输入任意波形后，灯对开关组的调制产生的任意波形的高压脉冲，测试条件为一个大气压下，室温。例如，Aigtek的电压放大产品，电压放大5kv，频率最大达5kHz，而本发明的高压波形放大系统测试电压在50kv输出时，频率可达1MHz。
Claims (6)
1.高压波形放大系统，其特征在于，包括有高压光电导开关模块及可调制光源模块，可调制光源模块用于照射高压光电导开关模块；
可调制光源模块包括有依次连接的信号源（1）、低压功率放大器（2）、低压功率放大器电源（3）；还包括有依次连接的偏置电路（8）、可调制光源（4）及直流低压电源（9）；低压功率放大器（2）还与偏置电路（8）连接；
高压光电导开关模块包括相互连接的直流高压电源（5）及光电导开关组（6）；光电导开关组用于接收可调制光源发射的光信号。
2.根据权利要求1所述的高压波形放大系统，其特征在于，所述信号源（1）采用函数信号发生器。
3.根据权利要求1所述的高压波形放大系统，其特征在于，所述光电导开关组（6）由若干个光电导开关串联或并联组成；直流高压电源（5）为若干个光电导开关供电。
4.根据权利要求3所述的高压波形放大系统，其特征在于，所述光电导开关包括有光电导开关基材层（6-1），光电导开关基材层（6-1）一侧表面设置有两个欧姆电极（6-2）。
5.根据权利要求4所述的高压波形放大系统，其特征在于，所述光电导开关基材层（6-1）为砷化镓层、氮化镓层、磷化铟层、高阻硅层或碳化硅层。
6.高压波形放大方法，其特征在于，采用如权利要求3所述的高压波形放大系统，具体为：
信号源（1）发出任意波信号通过电缆线输入到低压功率放大器（2），低压功率放大器（2）由低压功率放大器电源（3）供电，低压功率放大器（2）通过偏置电路（8）输出信号，偏置后的任意波功率信号将全部变为正电压，用于驱动可调制光源（4），获得由输入信号高速调制后的高速调制光源，直流低压电源（9）为可调制光源（4）发光提供所需的额定电压；直流高压电源（5）依次与光电导开关组和负载（7）串联；利用高速调制光源照射光电导开关组中的若干个光电导开关，若干个光电导开关均导通，其通态电阻受到调制光源的控制，从而达到利用调制光源控制高压回路电流的目的。
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