專利名稱：線性放大器高壓級聯(lián)裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種線性放大器高壓級聯(lián)裝置及方法。
背景技術(shù)：
高壓放大器是一種高電壓幅度輸出的信號放大器，幅度一般可達(dá)到千伏以上，帶寬響應(yīng)可達(dá)KT4Hz 20kHz,上升速率可達(dá)lOOOVAis,失真率小于1%，分單極和雙極放大器。單極放大器只能放大單極性直流或單極性脈沖和其他單極性信號；雙極性放大器可放大交流信號、直流信號或任意其他信號，稱為雙極性放大器。高壓放大器廣泛應(yīng)用于介電譜測試、電力設(shè)備絕緣診斷、壓電材料驅(qū)動等方面。因應(yīng)用于高精度場合，要求放大器輸出電壓穩(wěn)定，輸出電壓要高，且線性度好，另外還要提供 較大電流。高壓放大器以往采用高壓耐壓儀器來實(shí)現(xiàn)，這要求器件要有很高的耐壓性能，受器件水平限制一般電壓不高；或采用低壓運(yùn)算放大器加功率放大級和變壓器升壓來實(shí)現(xiàn)電壓提升到千伏的幅值，但變壓器不能耦合直流成分，且其耦合的交流分量頻率范圍也有限，尤其是對低頻，超低頻介電譜分析，其應(yīng)用也無法實(shí)現(xiàn)。目前，以美國的TREK公司研制的MODEL 50/12高壓放大器為例，其性能參數(shù)為0 ±50 kV DC or AC ;輸出電流范圍0 ± 12mA DC or AC ;轉(zhuǎn)換速率高于350V/us的；大信號帶寬為I. 4kHz，且失真率小于2% ;小信號帶寬20kHz。該放大器能有效抑制輸出電流短路和過電壓的發(fā)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種通過級聯(lián)線性高壓放大器來實(shí)現(xiàn)對正弦波、三角波、梯形波電壓幅值線性放大的高壓放大器，高壓放大器能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，易于拆卸、維護(hù)，可應(yīng)用于高壓電力設(shè)備的絕緣診斷分析的線性放大器高壓級聯(lián)裝置及方法。上述的目的通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
一種線性放大器高壓級聯(lián)裝置，其組成包括線性放大器高壓級聯(lián)裝置，其組成包括直流電源，其特征是所述的直流電源由一組直流電源單元模塊VdCl、Vdc2-Vdcn組成，所述的直流電源單元模塊Vdcl、Vdc2…Vdcn之間相互絕緣，所述的直流電源單元模塊Vdcl、Vdc2…Vdcn分別與一組單元放大器模塊電路API、AP2…APn之間——對應(yīng)相互連接，為單元放大器模塊電路API、AP2…APn提供直流電源，線性光耦電路輸入端VI通過限流電阻Rl串聯(lián)光發(fā)射二極管，所述的線性光耦電路輸出端VO將單元放大器模塊電路輸出端之間串聯(lián)連接，所述的最后一個單元放大器模塊電路分別連接輸入接地端GNDl與輸出接地端GND2。所述的線性放大器高壓級聯(lián)方法，采用線性光耦電路對所有單元放大器模塊進(jìn)行信號傳遞，各級光耦輸入側(cè)光發(fā)射二極管串聯(lián)，絕緣耐壓等級由輸入輸出間的絕緣水平?jīng)Q定，光耦光接收輸出側(cè)的各放大器模塊相互獨(dú)立，每個放大器模塊都能實(shí)現(xiàn)對信號的40倍放大，在各模塊輸出端進(jìn)行串級連接，每級放大器單元模塊擁有獨(dú)立的直流電源，各級電源相互絕緣，最終實(shí)現(xiàn)對信號的40n倍放大。所述的線性放大器高壓級聯(lián)方法，直流電源為每個放大器單元電路中高壓運(yùn)放提供工作電壓，各級直流電源相互絕緣；光耦隔離電路為放大電路提供電信號隔離，起著絕緣與抗干擾作用，放大器單元模塊電路實(shí)現(xiàn)一級電壓放大功能；市電電源為整個級聯(lián)放大器電路提供電源電壓；每個放大器電路模塊能放大電壓40倍，通過n級串聯(lián)級聯(lián)方法，實(shí)現(xiàn)40n倍的電壓放大，實(shí)現(xiàn)聞電壓輸出。所述的線性放大器高壓級聯(lián)方法，所述的光耦隔離電路的單極性隔離電路采用I個HCNR200光電耦合器組成的隔離電路，它只能隔離直流信號；所述的光耦隔離電路的雙極性隔離電路采用2個HCNR200光電耦合器組成，通過正反互補(bǔ)電路配合，能隔離交流信號，各級直流電源相互絕緣，獨(dú)立為每一級提供工作電壓。有益效果
I.本發(fā)明的運(yùn)算放大器通過串級連接的方法實(shí)現(xiàn)模塊化的高壓放大器，單個的放大器模塊可實(shí)現(xiàn)40倍電壓放大，而n個放大器級聯(lián)后，可實(shí)現(xiàn)40n倍電壓放大。
·
本發(fā)明克服了以往放大器在高壓放大時，器件耐壓限制和低壓運(yùn)算大器加功率放大器和變壓器升壓無法耦合直流低頻高壓的不足；本放大器結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)方便，可用于高壓電力設(shè)備的絕緣診斷分析等場合。本發(fā)明的兩個運(yùn)放A3、A6實(shí)現(xiàn)放大功能，放大倍數(shù)均為20倍，但由于A3是同相輸入，A6是反相輸入，因此整個電路可放大40倍。本發(fā)明的電路通過級聯(lián)的方式突破了放大器耐壓器件對放大電壓數(shù)值不能太高這一問題的限制，同時采用0PA454運(yùn)放，能使放大器在從超低頻到中高頻的寬頻帶內(nèi)正常工作，對絕緣材料的介電譜測試非常實(shí)用。而且，本電路采用模塊化綠色設(shè)計，單獨(dú)模塊的損壞，僅替換這一環(huán)節(jié)的模塊，不會影響整體電路的正常使用，其經(jīng)濟(jì)上和時效上的優(yōu)點(diǎn)，是很明顯的。本發(fā)明的直流電源為每個放大器單元電路中高壓運(yùn)放提供工作電壓，各級直流電源相互絕緣；光耦隔離電路為放大電路提供電信號隔離，起著絕緣與抗干擾作用；通過線性光耦與獨(dú)立直流電源的共同作用使得串級方法可以實(shí)現(xiàn)高電壓線性放大輸出。本發(fā)明的光耦隔離電路，采用I個光耦隔離，單極性隔離電路采用I個光耦組成的電路，能放大單極性直流或單極性脈沖信號；采用2個光耦，通過正反互補(bǔ)電路配合，能隔離交流信號，可放大交流信號、直流信號或任意其他信號。


附圖I是本產(chǎn)品的放大器級聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖。附圖2是本產(chǎn)品的單元放大器電路模塊圖。附圖3是附圖2的放大器每級單元輸入信號(f=50Hz)圖。附圖4是附圖2的放大器每級單元輸出信號(f=50Hz)圖。附圖5是附圖2的放大器每級單元輸入信號(f=0. OlHz)圖。附圖6是附圖2的放大器每級單元輸出信號(f=0. OlHz)圖。附圖7是本產(chǎn)品的單極性光耦隔離電路圖。附圖8是本產(chǎn)品的雙極性光耦隔離電路圖。
具體實(shí)施例方式 實(shí)施例I :
一種線性放大器高壓級聯(lián)裝置，其組成包括直流電源，所述的直流電源由直流電源單元模塊Vdcl、Vdc2…Vdcn組成,所述的直流電源單元模塊Vdcl、Vdc2…Vdcn之間相互絕緣，所述的直流電源單元模塊Vdcl、Vdc2…Vdcn分別與單元放大器模塊電路API、AP2-APn之間相互連接，為單元放大器模塊電路API、AP2-APn提供直流電源，線性光耦電路輸入端VI通過限流電阻Rl串聯(lián)光發(fā)射二極管，所述的線性光耦電路輸出端VO將各單元放大器模塊電路輸出端之間串聯(lián)連接，所述的最后一個單元放大器模塊電路分別連接輸入接地端GNDl與輸出接地端GND2。實(shí)施例2
所述的線性放大器高壓級聯(lián)方法，采用線性光耦電路對所有單元放大器模塊進(jìn)行信號傳遞，各級光耦輸入側(cè)光發(fā)射二極管串聯(lián)，絕緣耐壓等級由輸入輸出間的絕緣水平?jīng)Q定，光耦光接收輸出側(cè)的各放大器模塊相互獨(dú)立，每個放大器模塊都能實(shí)現(xiàn)對信號的40倍放大，在各模塊輸出端進(jìn)行串級連接，每級放大器單元模塊擁有獨(dú)立的直流電源，各級電源相互絕緣，最終實(shí)現(xiàn)對信號的40n倍放大。 實(shí)施例3
實(shí)施例I或2所述的線性放大器高壓級聯(lián)方法，直流電源為每個放大器單元電路中高壓運(yùn)放提供工作電壓，各級直流電源相互絕緣；光耦隔離電路為放大電路提供電信號隔離，起著絕緣與抗干擾作用，放大器單元模塊電路實(shí)現(xiàn)一級電壓放大功能；市電電源為整個級聯(lián)放大器電路提供電源電壓；每個放大器電路模塊能放大電壓40倍，通過n級串聯(lián)級聯(lián)方法，實(shí)現(xiàn)40n倍的電壓放大，實(shí)現(xiàn)高電壓輸出。實(shí)施例4
上述的線性放大器高壓級聯(lián)方法，所述的光耦隔離電路的單極性隔離電路采用I個HCNR200光電耦合器組成的隔離電路，它只能隔離直流信號；所述的光耦隔離電路的雙極性隔離電路采用2個HCNR200光電耦合器組成，通過正反互補(bǔ)電路配合，能隔離交流信號，各級直流電源相互絕緣，獨(dú)立為每一級提供工作電壓。實(shí)施例5
上述的線性放大器高壓級聯(lián)裝置及方法，如圖I所示基于運(yùn)算放大器的級聯(lián)方法，并設(shè)計了基于線性光電耦合器的單極性和雙極性前置隔離電路。如附圖I所示，當(dāng)光耦隔離電路為放大電路提供電信號隔離和實(shí)現(xiàn)信號線性放大后，對每個放大器電路模塊進(jìn)行級聯(lián)，為保證最后輸出信號線性度良好，必須保證模塊間同步性能良好。為杜絕元件的差異導(dǎo)致同步性失真，所以每個單元模塊的設(shè)計和器件的選擇要完全相同。如附圖2所示的是單元高壓放大器模塊設(shè)計，經(jīng)過對0PA454高壓器件的了解，設(shè)計了如附圖2的對稱放大電路。左半部分電路由三個運(yùn)放組成，中間運(yùn)放實(shí)現(xiàn)放大功能放大電壓20倍，而上下兩個運(yùn)放為中間運(yùn)放提供電源，而根據(jù)0PA454的運(yùn)行最大參數(shù)VS=(V+)-(V-)=120V，為了充分利用運(yùn)放而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)放大，電路設(shè)計的電源電壓為(V+)-(V-)=100V，而直接接此電源必然無法實(shí)現(xiàn)最后峰值400V的輸出，電路設(shè)計的關(guān)鍵之處就在于用上下兩個運(yùn)放為中間運(yùn)放提供電源，從而擴(kuò)大了輸出范圍。其中上面運(yùn)放接100V電源實(shí)現(xiàn)對前級輸出電壓的跟隨，并且抬高50V，下面運(yùn)放原理與上面相同，實(shí)現(xiàn)對前級輸出電壓的跟隨，并且降低50V。而上下運(yùn)放輸出波形之差為常數(shù)100V，從而為中間運(yùn)放提供了電源。電路實(shí)現(xiàn)了對輸入的20倍放大(峰值為200V)。附圖2右半部分原理與左半部分相同，只是他實(shí)現(xiàn)對輸入的反向20倍放大，最后在3. 75 Mi電阻上輸出波形，輸出波形是左右部分輸出波形之差，從而實(shí)現(xiàn)了輸出峰值為400V的電壓波形，如附圖3 附圖6所
/Jn o對模塊級聯(lián)，為保證每個模塊相互獨(dú)立性且電氣性能友好，各模塊間不會因互相電氣影響和外來信號干擾導(dǎo)致失真，用線性光耦HCNR200器件設(shè)計單極性隔離電路，如附圖7所示。設(shè)Vin和Vout分別為被隔離信號的輸入端和輸出端，根據(jù)運(yùn)放的“虛短”和“虛斷”特性，對圖7所示的電路有
權(quán)利要求
1.一種線性放大器高壓級聯(lián)裝置，其組成包括直流電源，其特征是所述的直流電源由一組直流電源單元模塊Vdcl、Vdc2…Vdcn組成，所述的直流電源單元模塊Vdcl、Vdc2…Vdcn之間相互絕緣,所述的直流電源單元模塊Vdcl、Vdc2…Vdcn分別與一組單元放大器模塊電路API、AP2…APn之間——對應(yīng)相互連接，為單元放大器模塊電路API、AP2…APn提供直流電源，線性光耦電路輸入端VI通過限流電阻Rl串聯(lián)光發(fā)射二極管，所述的線性光耦電路輸出端VO將單元放大器模塊電路輸出端之間串聯(lián)連接，所述的最后一個單元放大器模塊電路分別連接輸入接地端GNDl與輸出接地端GND2。
2.—種權(quán)利要求I所述的線性放大器高壓級聯(lián)方法，其特征是采用線性光耦電路對所有單元放大器模塊進(jìn)行信號傳遞，各級光耦輸入側(cè)光發(fā)射二極管串聯(lián)，絕緣耐壓等級由輸入輸出間的絕緣水平?jīng)Q定，光耦光接收輸出側(cè)的各放大器模塊相互獨(dú)立，每個放大器模塊都能實(shí)現(xiàn)對信號的40倍放大，在各模塊輸出端進(jìn)行串級連接，每級放大器單元模塊擁有獨(dú)立的直流電源，各級電源相互絕緣，最終實(shí)現(xiàn)對信號的40n倍放大。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的線性放大器高壓級聯(lián)方法，其特征是所述的直流電源為每個放大器單元電路中高壓運(yùn)放提供工作電壓，各級直流電源相互絕緣；光耦隔離電路為放大電路提供電信號隔離，起著絕緣與抗干擾作用，放大器單元模塊電路實(shí)現(xiàn)一級電壓放大功能；市電電源為整個級聯(lián)放大器電路提供電源電壓；每個放大器電路模塊能放大電壓40倍，通過n級串聯(lián)級聯(lián)方法，實(shí)現(xiàn)40n倍的電壓放大，實(shí)現(xiàn)高電壓輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的線性放大器高壓級聯(lián)方法，其特征是所述的光耦隔離電路的單極性隔離電路采用I個HCNR200光電耦合器組成的隔離電路，它只能隔離直流信號；所述的光耦隔離電路的雙極性隔離電路采用2個HCNR200光電耦合器組成，通過正反互補(bǔ)電路配合，能隔離交流信號，各級直流電源相互絕緣，獨(dú)立為每一級提供工作電壓。
全文摘要
線性放大器高壓級聯(lián)裝置及方法。高壓放大器廣泛應(yīng)用于介電譜測試、電力設(shè)備絕緣診斷、壓電材料驅(qū)動等方面。本產(chǎn)品其組成包括:直流電源，由直流電源單元模塊Vdc1、Vdc2…Vdcn組成，直流電源單元模塊Vdc1、Vdc2…Vdcn之間相互絕緣，與單元放大器模塊電路AP1、AP2…APn之間相互連接，為單元放大器模塊電路AP1、AP2…APn提供直流電源，線性光耦電路輸入端VI通過限流電阻R1串聯(lián)光發(fā)射二極管，線性光耦電路輸出端VO將各單元放大器模塊電路輸出端之間串聯(lián)連接，最后一個單元放大器模塊電路分別連接輸入接地端GND1與輸出接地端GND2。本發(fā)明用于高壓線性放大器。
文檔編號H03F3/68GK102780463SQ20121025928
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月25日
發(fā)明者萬星辰, 劉驥, 徐友, 戴靜, 李秀婧, 黃玲, 黃磊 申請人:哈爾濱理工大學(xué)