基于線性電源的高壓放大器

2019-11-03 10:03:27

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供稿：網友

鐘清華，黃偉強，李子升

華南師范大學物理與電信工程學院廣東廣州510631

　　摘　要：介紹基于線性電源的高壓放大器的實現，他具有寬范圍的電壓輸出、波形質量好的特點，降低了對器件耐壓的要求，可用于實現壓電陶瓷驅動器、高電壓掃描電源以及高壓功率源等應用。

　　關鍵詞：高壓放大器；線性電源；掃描電源；功率源

　　Abstract： This paper describes the design of a high voltage amplifier based on linear powe r supplyIt has the charaterestics of high voltage output and high quality wave formIt can be used in the application of driving PZT，high voltage scanning po wer supply and high voltage power source,etc

　　KeyWords：high voltage amplifier;linear power supply;scannin g power supply;power source

　　1引言

　　高壓放大器廣泛應用于掃描隧道顯微鏡、掃描探針顯微鏡、磁阻效應測試儀等各種自動測量儀表，也可以用于核磁共振、等離子體探針測試等許多實驗中。高壓放大器通常采用高耐壓器件構成的功率放大器來實現，也可采用高壓運算放大器電路實現。但高壓輸出要求器件具有很高的耐壓性能，放大器的制作成本較高。

　　串聯型直流穩壓電源實質上是高質量的大功率直流線性放大器，其輸出電壓幅度由基準電壓和取樣電路的分壓比來決定。如果線性地改變基準電壓的大小，則可線性地改變輸出電壓。傳統的直流穩壓電路采用了電壓串聯負反饋的接法，其輸出電壓V=(1+Rf/R1)Vref，通過控制參考電壓Vref可以實現輸出電壓的數字控制。本文采用改進的線性電源實現高壓放大器，他具有寬范圍的電壓輸出、波形質量好等特點，降低了對器件耐壓的要求，可用于實現壓電陶瓷驅動器、高電壓掃描電源等應用。

　　2基于線性電源的高壓放大器

　　采用如圖1所示的高電壓放大器可以克服器件的耐壓要求。以調整管Q1的源極輸出（普通穩壓電源的正輸出端）作為參考地，輸入電壓的負端作為高電壓放大器的輸出端。運算放大器A采用外接正負5V的雙電源供電，其反相輸入端通過電阻R5連接電源地，同相輸入端（為虛地）通過電阻連接輸入控制信號Vin和放大器的輸出端Vout，此時運算放大器輸出端的電位很低。電路中的有源器件只有場效應管Q1的漏源極之間接入了高電壓，可選耐500 V高壓的功率場效應管IRF840。運算放大器由于工作在低壓狀態，采用低壓的超低失調電壓運算放大器OP77，而不需復雜的高壓保護措施。為了實現放大器輸出電流的控制，采用了Q2和R2構成的限流電路，用以保護Q1的安全。

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　　圖1的整個電路可以等效為一個引入電壓并聯負反饋的反相比例放大器（組合放大器），簡化如圖2所示。輸入信號經R3送至組合放大器的反相輸入端（等效），R4為電路的反饋電阻，輸出與輸入存在下式的關系：

　　Vout=－(R4/R3) Vin=－80 Vin

　　當輸入信號為0~5 V時，輸出信號為0~－400 V。

　　3高壓放大器的應用

　　3.1構建寬范圍數控掃描電源

　　為了獲得雙極性信號的放大，可以將2個高電壓放大器接成橋式接法，輸入電壓采取互補的方式：當一路的輸入電壓值為Vin時，另一路的輸入電壓取5-Vin ，兩路電源的輸入電壓和為5 V，電路如圖3所示。

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　　當D/A輸出電壓為2.5 V時，兩路高電壓放大器的輸入控制電壓均為2.5 V，此時掃描電源的輸出電壓，即兩路高電壓放大器的輸出電壓差值(VO2-VO1)為0；當D/A輸出電壓為5 V時，一路高電壓放大器的輸入控制電壓為5 V，另一路的輸入控制電壓為0 V，掃描電源的輸出電壓（VO2-VO1）為正最大值（400 V）；當D /A輸出為0 V時，一路高電壓放大器的輸入控制電壓為0 V，另一路的輸入電壓為5 V，掃描電源的輸出電壓（VO2-VO1）為負最大值（-400 V）。輸入輸出波形如圖4所示。這樣只需采用一路D/A，單片機向D/A輸出有符號數就可以方便地控制兩路高壓可調電源實現雙極性輸出。3.2構建高壓測試信號源

　　前述的高壓放大器為單極性放大器，對交流信號放大時，則需進行電平變換，電路原理如圖5所示。先將輸入的交流信號變換成兩路互補的直流信號，然后分別經高壓放大器放大，輸出電壓為兩路高壓放大器輸出電壓的差。這樣，將低壓輸出的信號源與高壓放大器結合起來，就可構建高壓測試用的信號源。

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　　4結語

　　基于線性電源的高壓放大器能夠輸出可達800 V峰峰值的電壓。通過計算機輸出控制電壓，高壓放大器可以方便地實現寬范圍的掃描電源，其輸出具有很高的紋波抑制能力和電壓穩定度。同時，通過將任意波形發生器與高壓放大器結合起來。可以實現很高輸出幅度的調節，可用作各種高壓測試的功率源。

　　參考文獻

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摘自《現代電子技術》

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