波形功率放大器应用原理与选型

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波形功率放大器 
产品典型应用场景 

波形功率放大器是用以对波形发生器(函数发生器、脉冲发生器和任意波形发生器等)信号进行功率、电压或电流放大,为测试测量应用的负载提供电信号驱动的仪器。独立的波形功率放大器包括电压放大器电流放大器电压/电流放大器;此外,还有一种将波形发生器、波形功率放大器与直流电源相结合的独立分支特色产品,称为双极型电源

波形功率放大器的典型应用包括:

- 压电转换器(高电压和高电流)驱动

- 高频亥姆霍兹线圈(高电流)驱动

- MEMS微机电系统(高电压)驱动

- 脉冲和瞬态器件(高功率)驱动

- 集成电路放大器电源抑制比、放大器共模抑制比测试

- 二次电源纹波噪声模拟

- 低压差线性稳压器(LDO)线路瞬变测试驱动



      北京华贺技术有限公司可为客户提供各类实验室级别波形功率放大器产品应用选型系统集成技术支持服务。

波形功率放大器原理

波形发生器的局限性

函数发生器,脉冲发生器和任意波形发生器是非常常用的实验室仪器,通常输出电压被限制到约10V,输出电阻通常为50欧姆。尽管现有仪器可提供的波形非常丰富,但其本身的输入输出特性在应用中存在如下局限性:

1)负载驱动电压电流受限问题

2)容性负载驱动高频失真问题


      3)感性负载驱动低频失真问题

 

波形功率放大器

波形功率放大器用以解决以上局限性问题。波形功率放大器通过电压、电流放大和阻抗匹配电路,将波形发生器产生的驱动信号匹配实际负载,达到理想驱动效果。

波形功率放大器中输入电阻一般匹配为高阻或50Ω,输出电阻匹配为50Ω或近零值。电压输出范围高于输入范围,称为电压放大器;电流输出范围高于输入范围,称为电流放大器,电压电流输出范围均高于输入范围,则称为电压/电流放大器


 

波形功率放大器原理

波形发生器、波形功率放大器同直流电源结合而产生的双极型电源,可以工作在四象限模式,实现工作模式的自由切换,属于专业电源类产品,可设定工作在恒压(近零输出电阻)、恒流(高阻)模式,信号带宽DC~150kHz,可用于电源纹波模拟、四象限电源波形控制、各种低阻/容性/感性负载驱动,太阳能光伏测试等特殊应用场合,应用领域更加深入和广泛。


 


实验室级波形功率放大器产品
典型应用案例原理及分析

1.  电容性负载驱动:压电器件(电压/电流放大器)

压电陶瓷晶片是一种结构简单且轻巧的电学器件,当电压作用于压电陶瓷时,就会随电压和频率的变化产生机械变形;另一方面,当振动压电陶瓷时,则会产生相应电荷。压电陶瓷晶片适合机械形变、振动、次声波、声波和超声波和次声波的产生和检测,具有灵敏度高,无磁场散播外溢,不用铜线和磁铁,成本低耗电少,便于大量生产等优点而获得了广泛应用。常见的压电器件包括:压电陶瓷片、压电传感器、压电换能器等。

当压电器件用于产生形变、振动、次声波、声波和超声波时,需要相应频率的电信号驱动。压电器件是典型的容性负载器件,随驱动电信号频率的升高呈现低阻抗特性,因而对驱动源提出了更高的要求。例如:如果高频率压电器件的电容是3.3uF,所要求的驱动峰值电压为20V,频率为10kHz,根据欧姆定律计算,所需的峰值驱动电流是4.14A。

依据前述原理,我们可以选择相应的波形功率放大器,配合波形发生器,完成压电器件的驱动。直接驱动配置如下图:



 直接驱动配置

 

如果驱动需要更大电流,我们可以通过并联的方式扩展测试应用。


并联扩展波形功率放大器的应用

某些压电器件需要更高偏置电压才能驱动,这时我们可以考虑串联一个直流电源的方式来实现。一般而言,独立直流电源内部都并联了一个大电容,不过为了安全起见,我们还是建议增加一个大电容旁路。



串联独立直流电源增加偏压

具体实例:

使用压电元件进行微流量控制的原理是利用压电片的逆电压效应(即对压电



片施加一定的驱动电压,可以造成压电片的形变),产生周期性的精确形变,进而精确的控制液体的微流量。通过实验发现,当驱动频率在100‐500Hz时,压电片达到最佳形驱动电压的幅度可以控制液体的微流量。下图是微流量控制系统的原理框图,该系统中使用2340型波形功率放大器。

2. 电感性负载驱动:线圈(电流放大器)

亥姆霍兹线圈,是指如果有一对相同的载流圆线圈彼此平行且共轴,通以同方向电流,当线圈间距等于线圈半径时,两个载流线圈的总磁场在轴的中点附近的范围内是均匀的。亥姆霍兹线圈主要用途是,产生标准磁场;霍尔探头和各种磁强计的定标 ;地磁场的补偿 ;磁屏蔽效果的判定 ;空间辐射磁场的测量和排除 ;物质磁特性的研究;生物磁性的研究等等。

近年来,驱动亥姆霍兹线圈产生高频高场强磁场的应用越来越热门,在诸如磁场传感器校准、生物标本磁场照射和免疫研究领域都有强劲需求。

亥姆霍兹线圈可以做成3D的,其基础是一维方向的。下图为一个一维方向的亥姆霍兹线圈示意图。



 

轴的中点附近的磁场计算公式如下:

 

其高频电路模型为2个LCR电路:



 

其中,Cp1和Cp2为寄生电容,一般很小,这里忽略简化。


      因此,我们可以按照磁场大小和阻抗,确定驱动的电流电压,选择相应的波形功率放大器,直接驱动线圈,这种驱动方式适用于低频。

直接驱动配置

随着驱动电信号频率的升高,线圈的阻抗特性呈感性,并随频率显著提升,≈jwL,驱动开始变得困难。例如,对于200kHz的信号,即使电感值为2mH,总阻抗高达2512欧姆。而强磁场需要维持大电流有效值,驱动将变得困难。这时,可以通过串联谐振的方法,串入一个电容,电容值根据谐振频率和线圈电感值确定。然而,这样的电路存在潜在击穿电容的风险。例如,根据电压、电流和阻抗的关系: 200kHz,2A的电流,那么电容需要承受2512V的电压。



串联谐振驱动配置
      如果需要进一步提高(分担)电流,可通过电流放大器谐振法,在电路中再并联一个与串联谐振电容值相等的电容,可以使通过线圈的电流有效值加倍。



                                                          电流放大器谐振法驱动配置

以上测试配置方法同样适用于其它感性负载,如:电机等的驱动。

3.  低阻抗驱动:低压差线性稳压器(LDO)测试

低压差线性稳压器是新一代的集成电路稳压器,它可用于电流主通道控制,芯片上集成了具有极低线上导通电阻的mosfet,肖特基二极管、取样电阻和分压电阻等硬件电路,并具有过流保护、过温保护、精密基准源、差分放大器、延迟器等功能。低压差线性稳压器被广泛应用于各类工业和消费类电子的二次电源设计中。

LDO满载(重载)状况下的电源电压抑制比PSRR(又称为电源纹波抑制)反映了LDO对各种干扰信号的抑制能力,对于二次电源的外部旁路、补偿电路设计调试具有重要参考意义,因而非常有测试的必要。

传统的PSRR测试通过网络分析仪(例如:Agilent 4395A)进行测试,测试原理如下图。由于网络分析仪输出激励源的输出阻抗为50Ω,不能有效驱动LDO达到满载(重载),其测量结果只能反应LDO空载(轻载)状况下的PSRR,不具备直接参考价值。



                                                     直接测试法

通过在测试电路中引入波形功率放大器,可以有效解决网络分析仪的输出阻抗问题,输出阻抗近乎为0,可实现对LDO驱动达到满载。这里使用的波形功率放大器需要具有DC直流偏置的功能,实现LDO驱动所需的偏置电压(例如:3.3V),通过调整网络分析仪输出源的幅度,改变波形功率放大器输出的交流成分(纹波模拟,例如:峰峰值200mV),就可以完成LDO满载(重载)下的PSRR测试。需要说明的是:这种测试方法事先需要网络分析仪校准,保存校准曲线供测试使用,校准连接如下图。实测结果显示了不同驱动电流下PSRR测试结果的差异。


 

引入波形功率放大器的PSRR测试方法及结果

同理,我们还可以将波形功率放大器引入到低压差线性稳压器的其它测试项目,例如:线路瞬间电脉冲测试。我们可以通过任意波形发生器AWG定义LDO的瞬态突变脉冲,包括:脉冲宽度、上升沿、下降沿,但因为AWG的输出阻抗特性,无法直接驱动LDO。这时就可以利用波形功率放大器实现阻抗匹配,对LDO进行驱动,从而利用示波器在输出端测定LDO线路瞬间转换的过冲、稳定时间等参数,原理如下。

线路瞬间电脉冲冲击特性测试定义



线路瞬间电脉冲冲击特性测试配置

     
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