JPH02503252A - 高電圧増幅器 - Google Patents

高電圧増幅器

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JPH02503252A JP50687887A JP50687887A JPH02503252A JP H02503252 A JPH02503252 A JP H02503252A JP 50687887 A JP50687887 A JP 50687887A JP 50687887 A JP50687887 A JP 50687887A JP H02503252 A JPH02503252 A JP H02503252A
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コックス、メーソン、フォレスト
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モンロー エレクトロニクス インコーポレーテッド
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 高電圧増幅器 発明の背景 本願は、ウィリアムボスティーンとメーソンフオレストコックス1986年10 月9日出aNllLO61917゜144の一部継続出願である。
発明の分野 本発明は、増幅回路、特に、高電圧増幅回路に関する。
背  景  情  報 計測装置と測定すべきテスト面との間の静電容量を変調する装置を使用した非接 触電圧計測装置を用いてテスト面の静電界と静電位を計測することは公知である 。このような装置は、例えば、ボスティーンへの米国特許第3.611,127 号に示され、その特許は、本発明の譲渡式に譲渡されている。
このような計測装置は高度に正確で安定しており、計測装置が有効に作動する周 波数範囲、帯域幅を越える分は静電容量を変調する周波数によって制限される。
典型的には、テスト中の表面の交流電位は、変調周波数の1/2を越える交流電 圧用には余り適当には測定されない。例えば、1000ヘルツから2000ヘル ツ間の変調周波数を有する従来の計測装置は、500ヘルツから1000ヘルツ の最大周波数応答性を有する。
先行技術の種々の技術が電圧計測装置用の周波数範囲を増加するために使用され ている。例えば、幾分高い周波数応答性を有する計測装置が知られており、この 計測装置は、プリアンプと高周波信号量用の高周波応答性を有する積分器を使用 する。しかしながら、それ自身、比較的高い変調周波数信号の積分器への導入は 、計測装置の長期間の安定性を制限する。
計測装置の高周波応答性と不安定性の問題を克服し、改善された雑音排除能力を 有する新らたな電圧計測装置は、上記した特許出願に提示されている。また、新 うたな装置は、改善された高電圧計測能力を有し、新らたな高電圧増幅器の使用 を達成した。しかしながら本発明の高電圧増幅器は、電圧計測器の領域の外側で 使用され得る。
電圧増幅器は、所定の電圧範囲で入力信号の電圧増幅を行なうのに使用される。
典型的にはこのような電圧増幅器は、電圧増幅の低い範囲に制限され、高周波信 号の負効果を受けやすい。典型的には、公知の電圧増幅器は又、制限された範囲 外の非線形電圧増幅器を提供する。
従って、本発明の目的は、広い電圧範囲に亘って比較的線形の増幅を提供する必 要に応じて増幅器を拡張する、ような構成を有する高電圧増幅器を提供すること にある。
本発明の他の目的は、良好な高周波応答性を有する高電圧増幅器を提供すること にある。
本発明の他の目的及び利益は、次の発明の詳細な説明で述べ部分的には、詳細な 説明から明らかになり、本発明の実際によって学ぶことができる。
発明の概要 目的を達成するため、及び具体化され、ここに広く述べられた本発明の目的に従 って、本発明は、入力電圧信号を増幅するため高電圧電力端子に結合された高電 圧増幅器を提供する。
増幅器は入力電圧信号に比例した出力電流信号を発生するために入力電圧信号を 受けるために結合された制御手段と、出力電流から出力電圧信号を発生するため 制御手段と高電圧電力端子に結合された負荷手段とからなる。
出力電圧信号は入力電圧信号に比例する。負荷手段は、制御手段と高電圧電力端 子間にカスケード接続された複数のMOSFET回路を有する。MOSFET回 路は、ゲート、ソース、ドレインを有し、リニア領域でバイアスされている。M OSFET回路は、各MOSFET回路間の電圧降下が実質的に同じになるよう に接続されている。
本明細書の一部に組み入れられ本発明の好ましい実施例を描いた添付図面の簡単 な説明とともに本発明の主要部を構成する。
図面の簡単な説明 第1図は、本発明の好ましい実施例を有する測定装置のブロック図、第2図は、 本発明の好ましい実施例を有する第2の沖J定装置のブロック図、第3図は、第 1図及び第2図に示すプリアンプの電気的概略図、第4図は、第1図及び第2図 に示す高利得作動増幅器の電気的概略図、第5図は、第1図及び第2図に示す積 分器の電気的概略図、第6図は、第1図及び第2図に示す相感度検出器の電気的 概略図、第7図は、本発明の好ましい実施例の電気的概略図である。
好ましい実施例の詳細な説明 本発明の好ましい実施例が述べられ、本発明の具体例は、添付図面に描かれ、同 様の特徴は同様の要素を言及する。
第1図を参照すると、テスト面12と接地電位13との間の電位を監視するため の、非接触電圧計測装置が示されている。計測装置10は、ハウジング14を有 し、ローカル電位を形成する。
ハウジング14内に検出電極16が取り付けられ、検出電極16は、テスト面1 2の近傍に位置決めされ、検円電極16の面15は、テスト面12と静電容量的 に結合されている。装置10は、テスト面と電極面との間の容量結合を所定周波 数で変調する手段を有する。テスト面12と検出電極160面15との間の容量 結合は、100%以下で好ましくは、50%が変調される。ここに具体化されて いるように、変調手段は、テスト面12と検出電極16との間の容量結合を機械 的に変調する音叉型機構18からなる。ここに述べられた型式の音叉型機構はボ スティーンに付与された米国特許第3.921.087号に開示されている。音 叉型機構18による検出電極16の振動周波数は発振器19によって制御され、 発振器19は音叉型機構18に結合される。発振器19の周波数は後述する基準 周波数として言及される。
テスト面12と検出電極16との間の容量結合の変調は、検出電極16の面15 の容量結合を誘導し、誘導電圧は、テスト面12に存する電圧に比例し、テスト 面12は直流電流と交流成分を含む。
当業者によく知られているように回転シャッタや振動電極のようなテスト面12 と検出電極16との面間の容量結合を変調する他の手段は提案されている。
検出電極16は、出力端子17を有し、出力端子17は、電極出力端子17上の 電圧を増幅する入力及び出力を有する増幅手段に結合されている。好ましくは、 電極出力端子17は、プリアンプ20の入力端子に結合され、プリアンプ20は 、増幅手段の第1段からなる。プリアンプ20の出力は、好ましくは、高利得広 域アンプ22に接続され、高利得広域アンプ22は増幅手段の第2段を構成する 。検出電極16の面15上に誘導された電圧は、典型的には小さい容量変化(ピ コファラッド程度)によって誘導される。検出電極16上の容量負荷を極少化す ることは検出電極電圧を維持する上で必要である。
従ってプリアンプ20は、極端な高入力抵抗と低入力電気容量を有する広域オペ アンプからなる。高利得オペアンプ22は、例えば、20の利得によって検出電 極16からの信号を増幅する。アンプ20と高利得オペアンプ22の双方は、低 周波信号及び高周波信号に応じた広域アンプである。
高利得オペアンプ22の出力は、積分器24の口の入力23に結合され、積分器 24の他の入力25は、回路共通結合26を介してハウジング14に結合されて いる。
積分器24の出力は、基準面に接続された出力を有する高電圧増幅器30に接続 されている。高電圧増幅器30の入力は積分器24の出力に結合されている。積 分器24の出力は、相感度検出器32の入力に接続されている。相感度検出器3 2の出力は、積分器24の入力23に接続されている。相感度検出器32は、基 準発振器19に接続された基準端子34をふくみ、発振器19によって基準端子 34に供給された信号を使用して積分器24から受けた入力を復調する。積分器 24から受けた入力はテスト面12と同じ極性と比例した振幅を有する信号から なる。検出電極16上に誘導された電圧は、発振器24の周波数に応じて音叉型 機構18によって誘導されるから、積分器19の出力は、発振器19の周波数に 等しい周波数の成分を有する信号である。
相感度検出器32は、基準端子34の発振信号と積分器24からの入力信号とを 比較して、積分器24ヘフイードバツクされる直流出力を生起し、電圧誘導発振 効果を削除する。従って、相感度検出器32の出力は、テスト面12の振幅と極 性を指示する信号であり、テスト面12の電圧に影響を与えることなくテスト面 12に接触することのできる理想的な静止電圧によって計測される。
基準周波数は相感度検出器32によって積分器24の出力から復調され、(従来 技術のように)共通回路を通過しないので電圧計測装置10の長期間の安定性が 高められる。
積分器24の出力は、高電圧オペアンプ30の入力に結合され、高電圧出力を生 起する。高電圧増幅器30への入力は、例えば0から5V<らいで出力は約Ov から2000V<らいである。
電圧計測装置の出力は、テスト面12の電位に共通の回路を駆動するのに使用さ れる。共通回路26がテスト面電位に達すると、検出電極16は0に近ずく、電 極出力端子17上の電位共通回路26とテスト面電位との間の電位程度である。
それ故、テスト面電圧はハウジング14の共通回路26と真の接地との間の程度 の電位によって得られる。かくして、装置10は、発振器19の周波数でなくプ リアンプ20、アンプ22、積分器24及びアンプ30のバンド帯域によって制 限される。
第2図は、第2の電圧計測装置38を示す。装置10に関して述べた要素に加え て、装置38は増幅手段出力で過渡信号が起こったときフィードバック回路を不 能にする手段を有する。ここに実施例としてあげたように、ディスエイプル手段 は、バンドパスフィルタ40、ノイズ検出回路52及びサンプルホールド(SR )回路54を含む。バンドパスフィルタ40は、積分器24の出力に接続された 入力42を有する。バンドパスフィルタ40は相感度検出器32の入力に接続さ れた出力44と、ノイズ検出回路50、出力48に接続したディスエイプル端子 46とを有する。ノイズ検出回路50は増幅器22の出力に接続された入力52 を有する。
また、計測装置38は相検出回路32の出力に接続された入力56と積分器24 の入力23に接続された出力58とを有する。SR回路54は、ノイズ検出回路 50の出力48に接続されたイネイブル端子60を有する。
バンドパス増幅器40及びSH回路54は、積分器24の出力から積分器24の 入力へのフィードバック回路の一部分を構成する。
バンドパス増幅器40は、発振器19によって発生した基準信号の領域でない周 波数でフィードバック回路信号からフィルタする。基準周波数の領域内の周波数 を有する信号、1000ヘルツの基準信号用の例えば、800から1200ヘル ツの領域の信号は、基準信号を入力信号と比較し、参照信号を復調した信号を生 起し、すなわち、信号は、テスト面12の電圧を反射し、基準信号上に重複しな い振幅と位相を有するため相感度検出器32を通過する。このように、基準信号 は、入力から高電圧出力30へそれ故回路共通電圧から消去され、基準周波数信 号は検出電極16上に誘導された電圧を消去せず、検出電極上の電圧は基準周波 数に応じて誘導される。
ノイズ検出回路50は、相感度検出器32を含むフィードバック回路によって積 分器24へ供給される信号をゆがめることによって装置38中で不正確性を生じ させる可能性を有する高振幅過渡信号の存在を検出する。過渡現象が起こると、 信号は入力46へ供給され、バンドパス増幅器40を作動させず、入力60に供 給されてSR回路54を作動させる。SH回路54が作動せず、バンドパスフィ ルタ40の正常作動が回復する過渡現象が衰えるまでSH回路54は、一定の信 号を積分器24の入力23に供給する。
第3図を参照すると、広域バンドのプリアンプ20は、オペアンプ60をふくむ 。検出電極16の出力端子17は、レジスタ64を介してオペアンプ60の入力 62に接続されている。オペアンプ60の他の入力66は、オペアンプ60の出 力68に結合されている。オペアンプ60の入力62は、プリアンプ安定器70 の出力に結合される。プリアンプ安定器70は、コンデンサ78を介して入カフ 4から出カフ6ヘフイードバツク回路を有する積分器である。入カフ4は、抵抗 75を介してオペアンプ60の出力に結合されている。オペアンプ70の他の人 力80は、抵抗84及びコンデンサ86を有する抵抗−コンデンサ回路82を介 して、回路共通すなわちハウジング14に結合される。
プリアンプ安定器70は、コンデンサ88を有する。
プリアンプ安定器70の出カフ6は抵抗77を介して、プリアンプの人力62に 結合されている。装置38は、プリアンプ20の出力を安定させる手段をふくむ 。ここに具体化したように、安定化手段は、プリアンプ安定器70からなる。こ の装置38において、オペアンプ60及び72は、LF356及びLM308の 装置からなり、ナショナル半導体会社から販売されている。
第4図を参照すると、広域バンドオペアンプ22の構成が詳細に示されている。
アンプ22は、オペアンプ90を有し、オペアンプ90は、例えば、LF356 装置であり、ナショナル半導体会社から販売される。オペアンプ90の1つの入 力92は、コンデンサ92.94及び抵抗96を介してプリアンプ20の出力6 8に結合され装置利得を調整するため可変抵抗97を介して共通回路に結合され ている。オペアンプ90の他の入力98は、抵抗102を介してオペアンプ90 の出力100に結合されている。オペアンプ出力100は、可変抵抗106を介 して積分器24の入力23に結合されている。
オペアンプの入力92は、回路共通例えば抵抗104を介してハウジング14に 結合されている。
積分器24は、第5図に詳細に示されている。積分器人力25は、ハウジング1 4に結合されコンデンサ112と抵抗114からなる回路を有する。積分器入力 23は電圧リミッタ118に結合されている。電圧リミッタ118は、ソフトク ランプ(soft−clomping )用に使用され、装置の機能を不能にす る積分器飽和を防止する。また、積分器人力23には装置のゼロ制御用のゼロ電 圧基準128が結合されている。可変抵抗130が電圧基準128と入力23と の間に挿入されている。
積分器24のオペアンプ26、例えば、ナショナル半導体会社から販売されるL F353型は、フィードバック回路によって入力23に接続される出力140を 有する。フィードバック回路は、出力140とコンデンサ28の間に抵抗142 、抵抗142と入力23との間にコンデンサ28を有する。また電圧リミッタ1 18は出力140に接続されている。積分器24は高利得オペアンプ出力100 からの信号を積分し、テスト面12の極性を保存し、高電圧増幅器30の出力3 6をテスト面に存する電圧に向けて駆動する。
高電圧増幅器30は、積分器出力140から例えば、OVから5V程度の振幅を 有する信号を受け、数千ボルトの、例えば、Ovから2000V程度の出力を有 する。
高電圧増幅器30は、テスト面16の電圧に比例した入力信号を、テスト面16 にする程度と同様の電圧まで上昇させる。ハウジング14の形の共通回路26は 、高電圧増幅器30の出力36によって実際のテスト面の電圧まで駆動され共通 回路26とテスト面12との間をゼロに近づける。高電圧増幅器30は、以下に 詳細に説明される。
検出電極16の振動周波数を制御し、相感度検出器32の端子34の基準周波数 を提供する発振器19は、当業者に知られ、電圧計測装置に通常使用される型式 のものである。
相感度検出器32は、第6図に詳細に示されている。
相感度検出器32は計測装置10内の積分器出力140に接続され、計測装置3 0内のバンドパス増幅器出力44に接続された入力150からなる。入力150 は、コンデンサ152と抵抗154を介してオペアンプ158の入力156へ接 続され、オペアンプ158は例えば、ナショナル半導体会社から市販されている LM308型の装置である。出力160は、抵抗164からなるフィードバック 回路162を介して入力156に接続されている。オペアンプ158の入力16 6は、ハウジング14へ接続され、コンデンサ168と平行な抵抗170からな る回路を有する。出力160は、抵抗171を介して基準端子34に接続されて いる。基準端子34は、抵抗174の一端に接続されている。抵抗174の一端 にある信号は、相感度検出器32の出力176からなる。発振器制御ゲート17 5は基準端子34の基準周波数を促進するために使用される。出力176はコン デンサ152と抵抗器154の間のアノードにフィードフォワード回路によって 接続されている。
出力176は計測装置10の積分器入力23と、計測装置38のSH回路人力5 6に結合されている。
第7図を参照すると、高電圧増幅器30の好ましい実施例は、制御された抵抗− コンデンサ分解器を直列にした複数のパワー電界効果トランジスタ(FETS) 200を含む。FETゲート端子と直列の抵抗202は、平行なコンデンサー抵 抗回路間の電圧中のスプリアスな発振を防止しFET5200のスルーレートを 制御する。
ツェナーダイオード204は、ダメージが起こる電圧以下の電圧用のゲート間の FET源の電圧をクランプするために使用される。線AA及びBBは、回路構成 が所望の高電圧出力レベルを達成するために無限に繰り返されるという事実を表 わしている。
特に、好ましい実施例における高電圧増幅器30は、2つの同一の形状の部分か らなる。各部分は、夫々例えば+2000、−2000Vの高電圧電源供給端子 に結合される。電圧増幅器30は、出力140で電圧を増幅する。増幅器30の 各部分(増幅器30自身)は、出力140の電圧信号に比例した出力電流信号を 発生するため入力として、出力140の電圧を受けるべく結合された制御手段を 有する。ここに実施化したように、制御装置は、ツェナーダイオード、MOSF ET、第7図に示すような抵抗を有する制御回路206を有する制御回路206 からなる。MOSFETは、好ましくは、電圧−電流変換器として結合される。
制御回路206のMOSFETの出力電流信号は、図示するように、例えば、2 70オームの抵抗を有する制御手段抵抗を介して流れる。
電圧増幅器30は、制御回路206に接続され、制御回路206の出力制御から の出力電圧信号を生じさせる高電圧電力端子の一方に接続された負荷手段を有し 、出力電圧は、出力140の電圧に比例する。ここに実施化したように、負荷手 段は、制御回路206と高電圧電力端子の一方との間でカスケード結合された複 数のMOSFET回路を有する。各MOSFET回路は、1つのMOSFET5 200を有し、各MOSFETはゲート、ソース及びドレインを有し、リニア領 域でバイアスされている。MOSFET回路は、各MOSFET回路間の電圧降 下が実質的に同じになり、各MOSFET回路が制御回路206と電源端子間の 電圧を分配するように結合されている。負荷手段を構成するMOSFET回路の 数は、所定の高電圧レンジを越える増幅を可能とするように増加し得る。
上記した好ましいMOSFET回路の各々は、第1及び第2端子を有する結合端 子208を有する。結合抵抗208の第1端子はMOSFET回路のMOSFE Tのゲートに結合されている。回路は好ましくは、第1端子と第2端子とを有す るコンデンサ210を有し、第1端子はMOSFET回路のMOSFETのゲー トに結合されている。MOSFET回路の第1の回路からなる端末回路において 、各MOSFETのドレイン、各結合抵抗208の第2の端子及びコンデンサ2 00は、高電圧端子に結合されている。前記MOSFET回路の第2の回路から なる結合回路において、ソースと各結合抵抗208の第1の端子とコンデンサ2 10は制御回路206に結合され、少なくともMOSFET回路の第3の回路か らなる分割回路において、各ソースとゲートは、MOSFETの隣接する回路の MOSFETのドレインに結合されている。結合抵抗208と、MOSFET回 路の少なくとも第3の回路の各々のコンデンサ210とは、結合抵抗208の第 1の端子と、MOSFET回路の隣接した回路のコンデンサ210に結合されて いる。
結合抵抗208とコンデンサ210は、MOSFET200間の電圧を分割すべ く協同して作用する。
高電圧増幅器30はゲートと、結合抵抗208の第1端子とMOSFET回路の コンデンサ210との間に結合されたゲート抵抗202を有する。前述したよう に、ゲート抵抗202は、MOSFET200によって検出可能なスプリアス電 圧発振を防止し、スル゛−状態中FETの飽和を防止する。また、前述し、たよ うにツェナーダイオード204は、ゲート間のFETソース電圧をクランプする ために使用される。制御回路206又は、電源端子に結合されない各MOSFE Tは、MOS−FET電圧保護器として、MOSFETのソースと結合抵抗20 8の第2端部とMOSFET回路のコンデンサ210との間に結合されたツェナ ーダイオード204を有する。
第7図に示すように、結合抵抗208とコンデンサ210用の各抵抗と容量は、 各MOSFET回路と同様である。代りに、値は、最も高い入力負荷を有する制 御回路206に結合されたMOSFET回路とともに、上、昇する。
前述したように、バンドパスフィルタ40は、高振幅過渡信号が検出されない時 に基準周波数の領域で作動するようになっている。ノイズ検出器ユニット50は 、高利得オペアンプ22の出力に結合された入力52を有するノイズ検出ユニッ ト50が高振幅過渡信号を検出したときはいつでもバンドパスフィルタ40を禁 止する。バンドパスフィルタ40が禁止されたときは、SH回路54は禁止端子 60を介してノイズ検出ユニット50によって禁止とされる。SH回路54は、 高振幅過渡信号検出される間に入力56で相感度検出器32から信号出力を受け る。SH回路54は、(例えば、シリユニックスコーポレーションからのJ 1 77FETとともにナショナル半導体会社から市販されているLM308型の集 積回路装置からなる)装置を有し、該装置は、高利得オペアンプ22が高振幅過 渡現象を有し、積分器240入力23に一定の信号を提供して、過渡現象のある 間でも電圧計測の長期間の安定性を保持する間入力56で信号を保持する。
当業者によって本発明の観点及び精神から離れずに種々の変形をなし得ることは 明らかである。かくして本発明は変形若しくは変更をカバーし、法律的に題され た等価物とクレーム中に入ってくる。
国際調査報告

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.入力電圧信号に比例した出力電流信号を発生するために前記入力電圧信号を 受けるべく結合された制御装置と、 出力電流から、前記入力電圧信号に比例した出力電圧を生じるために高電圧電源 端子及び、前記制御装置に結合され、制御装置と高電圧電力端子との間にカスケ ード結合され各々がゲート、ソース、ドレインを有し、リニア領域でバイアスさ れた複数のMOSFET回路を有する負荷手段とからなり、 前記MOSFET回路は、前記MOSFET回路間の電圧降下がほぼ等しいよう に結合され、入力電圧信号を増幅するために高電圧電力端子に結合された高電圧 増幅器。
  2. 2.第1の端子と、第2の端子とを有し、前記第1の端子は各MOSFET回路 のMOSFETのゲートに結合されている結合抵抗と、 第1の端子と第2の端子とを有し、前記第1の端子は、各MOSFET回路のM OSFETのゲートに結合されたコンデンサと、 複数のMOSFET回路のうち第1のMOSFET回路からなり、各MOSFE Tのドレインと各結合抵抗の第2の端子とコンデンサが前記高電圧端子に結合さ れた結合回路と、 前記MOSFET回路のうち第2のMOSFET回路からなり、ソースと各結合 抵抗の第1の端子とコンデンサが前記制御手段に結合された末端回路と、前記M OSFET回路の少なくとも第3の回路からなり、各ドレインは、前記MOSF ET回路の隣接したMOSFET回路のMOSFETのゲートに結合され、結合 抵抗の第2の端部と少なくともMOSFET回路の第3の回路のコンデンサは、 結合抵抗の第1の端子と前記MOSFET回路の他の隣接する回路のコンデンサ に結合された駆動回路とからなる請求の範囲第1項記載の高電圧増幅器。
  3. 3.MOSFET回路の各々は、ゲートと結合抵抗の第1の端子と各MOSFE T回路のコンデンサとの間に結合されたゲート抵抗を有する請求の範囲第2項記 載の高電圧増幅器。
  4. 4.各末端回路と分割回路の各々は、各MOS−FETのソースと、各MOSF ET回路の結合抵抗の第1の端子との間に結合されたツェナーダイオードを有す るMOSFET電圧保護器を含む請求の範囲第2項記載の高電圧増幅器。
  5. 5.前記制御装置は、電圧電流変換器として結合されたMOSFETを有する請 求の範囲第1項記載の高電圧増幅器。
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