高壓大功率放大器PA42及其應(yīng)用

PA42是美國(guó)APEX公司推出的一種高電壓?jiǎn)纹瑘?chǎng)效應(yīng)管大功率運(yùn)算放大器，它具有工作電壓高(350V)，靜態(tài)電流小、輸出電流大(峰值120mA，連續(xù)輸出電流可達(dá)120mA)、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。使用該放大器可在提高可靠性的同時(shí)取得以前需在混合設(shè)計(jì)中才能達(dá)到的性能，它內(nèi)部的輸入保護(hù)電路避免了過(guò)高的共模、差模電壓及靜電泄放的影響，其安全工作區(qū)無(wú)二次擊穿限制，因此只要選擇合適的限流電阻就可驅(qū)動(dòng)不同的負(fù)載。通過(guò)PA42的外部可調(diào)補(bǔ)償電路可以使設(shè)計(jì)人員根據(jù)具體的應(yīng)用來(lái)選擇合適的帶寬和增益。

PA42芯片采用10腳單列直插(SIP)密封陶瓷封裝，其引腳排列如圖1所示。各引腳功能定義如下：

1腳：放大器正輸入端； 2腳：放大器負(fù)輸入端；

3腳、4腳：未用；

5腳：負(fù)電源；

6腳：正電源；

7腳：限流電阻輸入；

8腳：外部補(bǔ)償電阻輸入端；

9腳：外部補(bǔ)償電容輸入端；

10腳：放大器輸出端。

2 工作原理及外圍器件選擇

高壓器件和普通的低壓器件有很多的不同，在具體設(shè)計(jì)時(shí)由于工作電壓的增高就有很多問(wèn)題需要重新考慮，圖2為放大器PA42的典型外圍元件連接圖。下面結(jié)合此圖介紹一下該器件的工作原理以及選擇外圍器件時(shí)應(yīng)當(dāng)遵循的原則和需要注意的一些問(wèn)題。

2.1 限流及限流電阻

為了使器件能夠正常工作，圖2中的限流電阻RcL的最小取值應(yīng)為18Ω。為了提高放大器的穩(wěn)定性，在滿足限流要求的前提下，應(yīng)盡量選取較大阻值的限流電阻。具體選取可根據(jù)下式來(lái)估計(jì)：

RcL=3／ILim

應(yīng)當(dāng)說(shuō)明：在實(shí)際計(jì)算器件總的輸出電阻時(shí)，器件本身的典型輸出電阻加上最終選取的限流電阻才是器件的實(shí)際輸出電阻。還有一點(diǎn)需要注意的是：通過(guò)全部負(fù)載電流和限流電阻可以得到輸出電壓幅度受實(shí)際限流電阻影響的具體值，其計(jì)算公式如下：

VR=IoRcL

式中，VR為輸出電壓的減小量。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，對(duì)于對(duì)輸出電壓幅度有要求的場(chǎng)合，應(yīng)選用一個(gè)合適的工作電源。另外，當(dāng)放大器限流的時(shí)候，在負(fù)半周的限流區(qū)會(huì)出現(xiàn)諧振頻率很難確定的小信號(hào)偽諧振，這是由器件本身的特性決定的。器件一旦擺脫限流狀態(tài)回到正常的工作狀態(tài)，諧振會(huì)自動(dòng)停止。

2.2．輸入保護(hù)

許多高壓放大器都有一個(gè)輸入差分電壓等級(jí)，與低壓放大器相比，高壓放大器容易引起差分輸入過(guò)電壓，這種輸入端的過(guò)電壓一般是由于電源振蕩或者輸出端經(jīng)過(guò)電容CF瞬時(shí)反饋到輸入端而產(chǎn)生的。當(dāng)需要放大器提供最大壓擺率以允許足夠高的差分輸入電壓滿足過(guò)載驅(qū)動(dòng)時(shí)，通常可采用在輸入端并聯(lián)二極管鉗位的辦法，將差分輸入電壓鉗位在0.7V或者 1.4V(如圖2所示)。這種二極管一般應(yīng)選擇象1N4148等低電容快信號(hào)的管子，如果考慮到低泄漏的因素，則2N4416、2N5457等場(chǎng)效應(yīng)管是首選類型。對(duì)于PA42來(lái)說(shuō)，雖然其輸入保護(hù)電路可以承受高達(dá) 器件電源電壓的共模輸入以及高達(dá)16V的差模輸入(超過(guò)16V的差模輸入將被輸入保護(hù)電路自動(dòng)鉗位在16V)，但是如果輸入端負(fù)荷過(guò)重的話，從信號(hào)源僅僅取得幾個(gè)毫安的電流，保護(hù)電路就會(huì)受到破壞。在這種情況下，除了上面提到的二極管鉗位保護(hù)以外，在輸入引腳內(nèi)部300Ω的集成限流電阻的基礎(chǔ)上再在外部增加限流電阻即可起到保護(hù)作用，一般將輸入電流限制在lmA以下即可。

2.3 補(bǔ)償電容和補(bǔ)償電阻

當(dāng)器件在大于10nF的容性負(fù)載下工作時(shí)，如果單位增益補(bǔ)償穩(wěn)定，那么，電路將有足夠的相角裕度。但是由求和點(diǎn)(器件的負(fù)輸入引腳)的點(diǎn)電容和反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的低通電路造成的相移有可能使器件的工作不穩(wěn)定。因此，按照通常的原則，求和點(diǎn)的負(fù)載電阻(輸入電阻和反饋電阻的并聯(lián))應(yīng)該在5kΩ左右，在低增益(10)情況下還應(yīng)該更小一些。另外，可以采用在反饋電阻上并聯(lián)一旁路電容CF的方法來(lái)改善器件的穩(wěn)定性。但是，反饋電阻和并聯(lián)旁路電容的復(fù)合時(shí)間常數(shù)一定要和求和點(diǎn)電阻與求和點(diǎn)電容的時(shí)間常數(shù)相匹配。由于該器件采用外部補(bǔ)償，因而設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)具體的應(yīng)用來(lái)選擇。外部補(bǔ)償電容Cc的耐壓值至少要等于放大器的工作電壓，有條件的話，應(yīng)當(dāng)盡可能地選取溫度穩(wěn)定性較好的電容(象NPO電容等)，由于大部分電壓將加在Cc上，而Rc上的電壓很小或者為零，因此Rc一般選取標(biāo)準(zhǔn)的1／8W的金屬膜電阻就可以了。補(bǔ)償電容和補(bǔ)償電阻應(yīng)當(dāng)盡可能近地焊接在對(duì)應(yīng)的放大器引腳處，以避免偽諧振的產(chǎn)生。

2.4 輸出二極管

一般的場(chǎng)效應(yīng)管高電壓放大器內(nèi)部都集成有輸出到電源端的保護(hù)二極管，而高壓雙極性放大器PA42內(nèi)部卻沒(méi)有集成這些二極管，因此，通常需要外接DFB(如圖2)。外接的管子應(yīng)當(dāng)選擇快速反向恢復(fù)二極管。管子的恢復(fù)速度依照預(yù)期的回饋能量頻率一般應(yīng)選擇500ns或者更快。管子的最高反向耐壓至少應(yīng)當(dāng)?shù)扔诜糯笃鞯碾娫措妷?。這樣，不管是對(duì)于壓電元件受到機(jī)械壓力而產(chǎn)生的偶然瞬時(shí)電壓，還是對(duì)于某些潛在的持續(xù)高能量回饋應(yīng)用場(chǎng)合，放大器都可以受到很好的保護(hù)。

2.5 瞬態(tài)電壓抑制器

實(shí)際上，電源線上通常都存在以下兩種不希望的瞬間電壓，首先是電源振蕩引起的過(guò)電壓，其次是當(dāng)某一頻率的回饋能量通過(guò)保護(hù)二極管倒入電源時(shí)，放大器電源端相對(duì)于該頻率回饋能量而導(dǎo)致的放大器過(guò)電壓。在電源線和地之間跨接瞬間電壓抑制器Vtr可提供一低阻通道，從而起到很好的保護(hù)作用。如果采用無(wú)極性瞬態(tài)抑制器，在電源反接時(shí)，瞬態(tài)電壓抑制器還可以起到前向基準(zhǔn)二極管的作用，從而有效防止反相的電流流過(guò)放大器。

2.6 反饋和輸入元件

圖2中的R1在正常情況下的耐壓很低，且功耗也很低，由于大部分輸入信號(hào)的峰值都低于10V，為此可選擇一標(biāo)準(zhǔn)的金屬膜電阻。RFl，RF2和RF3的選取要考慮到功耗、電阻的電壓系數(shù)等因素。

為了滿足這些電阻的功耗和電壓系數(shù)，一般可采取幾個(gè)電阻串聯(lián)到反饋回路的方法。

3 典型應(yīng)用

圖3是使用PA42設(shè)計(jì)的高壓鋸齒波發(fā)生器的連接電路，電路中的信號(hào)源部分采用美國(guó)MAXIM公司的函數(shù)發(fā)生器MAX038，產(chǎn)生的是頻率為200Hz-20kHz可調(diào)、幅值為5V的鋸齒波，該鋸齒波經(jīng)過(guò)PA42放大即可獲得100V的掃描電壓以用來(lái)驅(qū)動(dòng)等離子體診斷探針。由于PA42具有良好的輸出線性度，因而具有很好的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

PA42以其體積小、性價(jià)比高等特點(diǎn)在變形影像聚焦、生化激勵(lì)源、計(jì)算機(jī)和真空管的接口等多種場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。由于該器件為場(chǎng)效應(yīng)管器件，其補(bǔ)償引腳都接到了內(nèi)部場(chǎng)效應(yīng)管的門極，因此，在測(cè)試和插拔的時(shí)候要格外注意，另外，在放大器的供電回路中不應(yīng)采用保險(xiǎn)絲，因?yàn)檫@樣可能引起放大器的電源對(duì)地懸空而造成放大器的永久損壞。