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高速高压放大器的考虑因素以及容性负载对输出的影响

2017-6-12 12:12:26 2759

0 ` 高速高压放大器的考虑因素以及容性负载对输出的影响电压放大器是配合信号源(信号发生器)的理想工具，通过简单的设备连接，可以拓展信号源的输入电压幅度范围。典型的信号源输入范围都是10Vpp，而在MEMS、光电、超声等研究和应用领域，这样的电压幅度往往不能满足要求，因而用到电压放大器。而随着系统、设备处理速度的提高，高压放大器一般都有高速响应特性。高电压放大器的快速响应特性不仅体现在带宽和压摆率，也与最大输出电流、负载的电容特性等密切相关。本文介绍如何根据用户需求，选择合适的高速高压放大器。关键词：高压放大器，电压放大器，带宽，压摆率，电容性负载主要技术指标：带宽和压摆率描述高速高电压放大器基本特性的主要指标有：带宽(包括“大信号带宽”和“小信号带宽”)和压摆率。 “大信号带宽”描述的是，在大信号输入条件下，放大器的输出电压幅度随频率变化的关系。当超过某一个频点时，放大器的最大输出电压会迅速下降；输出电压降低到“最大电压的0.707倍”时的频点，就称之为3dB带宽(功率降低3dB)；此外还有一种表示方式，即0.1dB带宽(功率降低0.1dB)，在这个频点的输出电压是“最大电压的0.98倍”(正因为如此，0.1dB带宽也被称之为“满功率带宽”，而3dB带宽被称为“半功率带宽”)。由此可见，0.1dB带宽的数值要小于3dB带宽。除了大信号带宽之外，还有一种带宽的指标，即“小信号带宽”。顾名思义，小信号带宽是指放大器在小信号条件下，输出电压和频率之间的关系。小信号带宽也可以用3dB带宽和0.1dB带宽两种方式来表示。明白了带宽的几种表示形式之后，读者就可以根据实验要求，准确的选择所需的放大器型号了。需要注意的是，不同厂家、不同型号描述带宽的方式都各不相同，因此在选择的时候最好与厂家联系，询问指标的具体表示方式。 “阶跃响应”和“压摆率”都是描述放大器响应速度的指标。“阶跃响应”是指放大器输出脉冲从10%上升到90%所需要的时间，单位是秒(通常都在微秒，即10-6秒量级)；“压摆率”描述输出电压的上升(或下降)速度，即单位时间内输出电压上升(或下降)的幅度，单位是“V/uS”(伏每微秒)。电容性负载带来的压摆率降低上述的讨论是假设负载端不会影响放大器的输出，即纯电阻负载(或弱容性负载)。但实际上，电压放大器所驱动的典型负载，例如压电器件、光电传感器甚至同轴电缆等，都是高度容性的器件。当电压放大器的输出电压达到一定幅度时，输出端所连接的负载(等效电路为电容)两端就施加了相应幅度的电压(等效为电容充电)。如果放大器有输出电流限制(保护)，最大电流不超过IL，此时负载(等效电容)就会以一定的速度进行充电。此时单位时间内的电压上升(下降) 的幅度，即压摆率就表示为SA= IL/C；对于高度容性的负载来说，此时的压摆率比纯电阻负载的压摆率小的多；那么相应的正弦波的带宽也会变小。典型放大器的等效电路都会包含一个通用运算放大器模型。当放大器输出端连接容性负载时，由于电容的充电效应，输出电压会产生延迟。这就意味着运放的负输入端(-) 的电压也有延迟，这时在运放正负输入端就形成了相位差。在特定频点时，运放输入端的相位差会造成输出信号的谐波失真，包括寄生波形、谐振波形、溢出波形等等。理论上，当任何放大器接电容性负载时，都会出现特定频率下无法正常工作的情况。为了解决这一问题，可以在放大器的设计电路中增加一个二级放大器，使电容端口与运放的正负端口隔离。实际测试案例：电压放大器实测数据接下来，我们结合实际电压放大器的技术指标、测试数据来回顾一下上述介绍的原理。以北京华贺技术有限公司代理的荷兰法科公司高速高电压放大器WMA-300图（1）为例，WMA-300适用于需要高速、高频率的应用，带宽高达5MHz (3dB大信号带宽) ，压摆率可以达到2000V/µs。WMA-300的典型应用是用于MEMS(微机电系统) 驱动或光电传感器驱动，在这些应用领域中，同轴电缆、驱动器件都是典型的电容性负载 (同轴线的典型电容值大约100pF，传感器的典型电容值大约10nF) 。 WMA-300的大信号带宽响应如图（2）所示 (最大输出电压300Vpp) ，由示波器测试得到的压摆率如图（3）。从技术指标和实测数据都能看出，WMA-300可以理想的输出100KHz/300Vpp方波；图（4）是实际测试的图形，可见上升/下降沿的波形都很理想。而当我们在输出端增加电容性负载之后，输出波形的压摆率逐渐变化，如图（5）。当电容值是150pF时，压摆率保持不变；而当电容值增加到nF量级的时候，压摆率就明显下降，使放大器的工作频率降低。由于WMA-300采用的改进型的设计，在放大器的设计电路中增加一个二级放大器，使电容端口与运放的正负端口隔离，因此电容稳定性功能(消除谐波失真)，在各个频率下都没有出现明显的谐波。图(1)-北京华贺技术有限公司代理的荷兰法科公司WMA-300型高速高压放大器图(2)-WMA-300的大信号带宽图(3) WMA-300的阶跃响应是125ns;压摆率是1920V/µs. 图(4)-在纯电阻负载时,WMA-300输出的300Vpp/100KHz方波图（5）-不同容性的负载对输出端压摆率的影响结论：在选择高压放大器时，首先需要考虑应用的输出电压、带宽和压摆率；除此之外还要考虑负载的电容性，以及由负载电容性带来的压摆率/带宽下降；最后，要了解放大器的设计，有没有电容稳定性功能(消除谐波失真)。综合考虑上述所有因素，才能选择出一款最合适的放大器。 ` 0
2017-6-12 12:12:26　　评论淘帖0 举报相关推荐 • 如何使用高压放大器驱动高容性负载 497 • 高压放大器的考虑因素有哪些 425 • 如何使用放大器驱动高容性负载？ 208 • 提高放大器性能怎么制服容性负载 1764 • 选择高压功率放大器考虑因素，功率放大器 3642 • 容性负载如何影响运算放大器的性能 1327 • 大容性负载的隔离放大器电路 910 • 运算放大器容性负载驱动问题 3742 • 使用运算放大器的输入和输出电压考虑因素 10599 • 运算放大器驱动容性负载要考虑的稳定因素 6912 1 个讨论