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一种大容性负载动态应用的双极性高压功率放大器 0 双极性高压功率放大器 千伏级高压线性出版社在电压工具的驱动、光电管、光谱、微机械、纳米科技工程等方面发挥着广泛的作用。此类应用一般为高精度场合,要求放大器输出电压较高、稳定性好、线性度高等,另外,当负载为容性时,为得到较好的动态性能,还要求放大器具有很强的电流驱动能力。例如,在高速压电倾斜镜驱动的应用中,不仅需要双极性千伏级的高压驱动信号,而且随着倾斜角度越大,压电陶瓷驱动器电容量也越大,通常会达到几个μF,在动态应用时,对放大器驱动电流的要求将达到安培级。 实际应用中的双极性高压功率放大器多以误差放大式电路为核心,此种放大电路具有频响范围较宽、稳定性好、线性度高、结构简单等优点。基于误差放大式原理,现有双极性高压功率放大器通常由高压放大级组合一级功率放大级组成,为保证放大器的安全工作,一般驱动电流被限制在百毫安级,不能满足大容性负载动态应用的需求。本文设计的双极性高压功率放大器,采用高压放大级组合多组并联功率放大级的电路结构,增强了放大器对负载的充放电能力,同时将放大器功耗平均地分配到各组功率放大级中,确保了放大器的安全工作,能够满足大容性负载动态应用的要求。 1 高压双功率矩阵设计 1.1 高压vi1输出电压 基于误差放大式原理,本文设计的双极性高压功率放大器原理框图如图1所示,它由高压放大级、多组并联功率放大级、电压负反馈网络等部分组成。高压放大级实现输入信号Vi与反馈电压信号差值的放大和电压放大,输出高压Vi1驱动多组并联功率放大级;各功率放大级具有均流功能,用于增强放大器对负载电容CL的充放电能力并分担在放大器中产生的功耗;输入信号Vi加在高压放大级的正相输入端,反馈电压信号加在反相输入端,构成电压负反馈,整个放大器为一正相放大器,电压增益为1+Rf/R2。正负高压直流电源(+HV,-HV)为高压放大级和各功率放大级提供高压直流信号。 1.2 放电扰动下的相位补偿作用 为提高放大器性能并简化电路设计和调试过程,高压放大级采用Cirrus Logic公司生产PA89高压集成运算放大器,其外形及管脚定义如图2所示。它是一种高压、高带宽MOSFET运算放大器,持续输出电流75mA,最大输出电压峰-峰值1140V,转换速率16V/μs,最大耗散功率40W。为保证运放工作在安全区域,调节限流电阻RCL的值可限制运放的最大输出电流为:Imax=0.7/RCL。 PA89本身具有外部相位补偿功能,当高压集成运放在图1电路中开环增益一定时,由于并联功率级的接入可能引入高频极点,从而引起相移过大,导致不稳定甚至振荡。此时可增大相位补偿电容CC值以降低高压运放开环增益,抑制高频极点进入放大器单位环路增益内,从而确保空载时稳定。CC值越大,补偿效果越好,不过此时会降低放大器带宽和转换速率,因此需根据实际应用的需要,综合考虑各方面性能的要求来确定补偿电容CC的取值。 1.3 功率放大电路 高压运放PA89能够实现高压输出并具有较高的频率带宽和转换速率,但是电流驱动能力很弱,不能满足大容性负载动态应用对驱动电流的要求。因此需要在高压运放后增加功率放大级用于增强其电流驱动能力。如在图1中,各功率放大级受高压放大级的高压输出信号Vi1驱动,对电流进行放大,而不放大电压。 功率放大级通常是由互补对称的N沟道MOS(NMOS)管和P沟道MOS(PMOS)管(或者NPN管和PNP管)组成的互补推挽功率放大电路。由于耐压超过500V大功率的PMOS管很难得到,而耐压超过千伏大功率的NMOS管很容易买到,因此为降低PMOS管上的功耗,通常采用准互补对称结构的功率放大电路。此举虽然可降低PMOS管上的功耗,但是并没有降低对PMOS管耐压的要求,在要求双极性高压输出时,其漏-源极之间耐压仍需达到两倍电源电压以上。 为提高准互补对称结构中PMOS管的耐压,实现双极性高压输出,本文设计的功率放大级电路如图3所示,将三个耐压500V的PMOS管(QP1~QP3)进行串联代替准互补对称结构中的单个PMOS管,由电阻平均分压提供偏置即可实现耐压1500V。负载电流经过QN1流入负载,而主要经过QN2从负载流出,从而降低PMOS管上的功耗。电阻RG上产生的压降驱动NMOS管QN2导通,其值决定流过所有PMOS管电流的大小。电阻RGS上的压降驱动QN1、QP1导通,用于消除输出电压的交越失真,其值决定了功率放大级对高压放大级驱动电流的要求。 QN1,QN2源极所接小电阻RS1,RS2在多组并联时用于均流,使负载充放电电流能够平均地流过各组功率放大级,从而将放大器功耗平均地分配到各组功率放大级中。功率放大级并联的越多电流驱动能力越强,但由于功率管输入电容的增加,对高压放大级驱动能力的要求也增加,放大器频率特性也会下降,因此需