高速高压放大器的考虑因素以及容性负载对输出的影响

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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

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。从图中我们可以看到,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。



                                                                           

图1-大信号带宽和小信号带宽

“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)。

这两个指标都描述了放大器产生快速脉冲、快速方波的能力,与此同时同时也是带宽的限制因素。下面结合图形来说明这两个指标和带宽的关系。

从图4我们可以看出,对于正弦波而言,上升速度最快的阶段是在0V附近;随着频率的升高,波形在0V附近的上升速度越快(波形越陡)。这就要求放大器提供快速的电压上升,否则就会在0V附近产生波形失真,而失真的极端情况就是输出波形将会畸变成三角波、并且输出幅度被压缩。
 

                                                           

 

图2-阶跃响应和压摆率(图中10%-90%的阶跃响应是2.8us;压摆率是80V/2.8μs = 29V/μs)



 

图3-不同压摆率下的输出结果(依次是:无失真放大、有波形失真、波形完全变形)



 

图4-压摆率与频率的关系(频率越高,波形上升速度的要求越高)

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),如图5。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。

                                                                        
                                                                                           
 

图5-容性负载会改变压摆率
 

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,如图6。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,如图8。




图6-典型电压放大器等效电路图(电容端与运放负输入相连)


 

图7-特定频率下的谐波模式

图8-改进的放大器等效电路图(电容端与运放负输入隔离)
 

 

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。以华贺公司代理的荷兰法科公司高速高电压放大器WMA-300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10所示 (最大输出电压300Vpp) ,由示波器测试得到的压摆率如图11。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12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13。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采用的是改进的等效电路图(图8),因此在各个频率下都没有出现明显的谐波。
 


 

图9(左)-华贺公司代理的荷兰法科公司WMA-300型高速高压放大器

图10(右)-WMA-300的大信号带宽
 

  
 

图11(左) WMA-300的阶跃响应是125ns;压摆率是1920V/µs.

图12(右)-在纯电阻负载时,WMA-300输出的300Vpp/100KHz方波
 



图13-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。

  

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