PB50型高壓功率升壓放大器及其應(yīng)用

pb50是美國(guó)apex公司推出的高壓型場(chǎng)效應(yīng)管大功率升壓放大器，具有工作電壓高(200v)、輸出電流大(2a)、高轉(zhuǎn)換速率(50v/μs)、低失真等特點(diǎn)。此外，pb50的限流電路可以將其內(nèi)部的功率損耗限制在一個(gè)和功率晶體管的安全區(qū)幾乎相同的范圍內(nèi)，良好的導(dǎo)熱性可以使其獲得較之普通功率晶體管更好的功率特性。

pb50采用8引腳to-3鐵盒封裝。密封性好，且內(nèi)部相互絕緣，其引腳排列如圖1所示。各個(gè)引腳的功能如下：

1腳(out)：輸出端；

2腳(cl)：限流反饋輸入；

3腳(+vs)：正電源：

4腳(in)：輸入端；

5腳(com)：公共接地端；

6腳(-vs)：負(fù)電源；

7腳(gain)：增益設(shè)置：

8腳(comp)：相位補(bǔ)償。

2 引腳特性及工作原理

2.1 升壓放大器的基本連接

圖2是pb50的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。由于它是高壓大功率放大器，輸出電流比較大，因而在設(shè)置和使用方面與普通功率放大器有較大差異。

pb50對(duì)電源電壓的要求是負(fù)電源必須比公共接地端(5腳)低30v，最小工作電壓不低于±30v。

由圖2可知，pb50的輸入端in是一個(gè)低阻抗輸入，典型值是50kω。最大安全輸入電壓范圍必須被限制到±15v以下。pb50的典型失調(diào)電壓是0.75v，因?yàn)樗幸粋€(gè)共基極的雙極輸入，所以當(dāng)選用了前級(jí)驅(qū)動(dòng)放大器時(shí)。這個(gè)失調(diào)電壓將從前級(jí)驅(qū)動(dòng)器的輸出范圍內(nèi)減去。例如：一個(gè)前級(jí)驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器的輸出電壓為20v(峰-峰值)，它的實(shí)際輸出將是-10.75v和9.25v，這個(gè)失調(diào)電壓對(duì)整個(gè)電路的失調(diào)沒(méi)有影響。因?yàn)樗氖д{(diào)電壓已經(jīng)被前級(jí)驅(qū)動(dòng)放大器的開(kāi)環(huán)增益有效地抵消。但是沒(méi)有前級(jí)驅(qū)動(dòng)放大器時(shí)。這個(gè)失調(diào)電壓總是存在，并且對(duì)整個(gè)電路的失調(diào)有很大影響。

公共接地端“com”為內(nèi)部輸入和反饋提供了一個(gè)地參考點(diǎn)，需要注意的是。這個(gè)端口通常不能作為反相輸入端。

增益腳“gain”允許外接增益電阻器來(lái)調(diào)節(jié)放大器的閉環(huán)增益。外接增益電阻器與片內(nèi)的反饋電阻器串聯(lián)，閉環(huán)增益的計(jì)算公式為：

av=[(rg+6200)/3100]+1

頻率補(bǔ)償腳“comp”允許外接補(bǔ)償電容器，外接電容器與片內(nèi)反饋電阻器并聯(lián)。設(shè)計(jì)者可以通過(guò)補(bǔ)償電容、外接電阻器和反饋電阻器的值簡(jiǎn)單計(jì)算信號(hào)增益極點(diǎn)，從而估計(jì)pb50的頻率響應(yīng)，信號(hào)增益極點(diǎn)計(jì)算公式是：

fp=1/[2π（rg+6200）/cc]

式中，rg為外部反饋電阻器，cc外部補(bǔ)償電容器。

例如，22pf的外接補(bǔ)償電容器和6.2kω的電阻器并聯(lián)會(huì)在pb50的小信號(hào)響應(yīng)曲線(xiàn)上的1.2mhz處形成一個(gè)極點(diǎn)。22kω的外接電阻和6.2kω的電阻器串聯(lián)可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)增益10。如果再外接一個(gè)220pf的補(bǔ)償電容器將導(dǎo)致小信號(hào)響應(yīng)曲線(xiàn)在260khz處開(kāi)始下降。

pb50的限流腳cl外接一個(gè)限流電阻器(rcl)，通過(guò)輸出端的電流負(fù)反饋?zhàn)饔脕?lái)實(shí)現(xiàn)限流。限流電阻器的取值范圍為0.27ω～47ω，在滿(mǎn)足電流輸出要求的前提下，限流電阻應(yīng)取得盡量大些。輸出電流與限流電阻值之間的關(guān)系是：

+il(0.65／rcl)+0.1

-il=0.65／rcl

綜上所述。pb50的外圍器件應(yīng)按照其數(shù)據(jù)手冊(cè)上外部連接示意圖進(jìn)行連接。

2.2 復(fù)合升壓放大器的設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)對(duì)失調(diào)電壓、漂移或偏置電流有非常嚴(yán)格的要求時(shí)，可用一個(gè)合適的前級(jí)放大器和pb50共同構(gòu)成閉環(huán)結(jié)構(gòu)的高性能、高精度復(fù)合放大器。

在構(gòu)造復(fù)合放大器時(shí)，前級(jí)驅(qū)動(dòng)器的選取必須考慮如下幾個(gè)技術(shù)參數(shù)：增益、穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)換速率和輸出失調(diào)。

若要獲得最大穩(wěn)定性，必須遵循下列原則：

(1)升壓放大器應(yīng)在盡可能低的增益下工作；

(2)前級(jí)驅(qū)動(dòng)放大器應(yīng)在盡可能高的增益下工作；

(3)前級(jí)驅(qū)動(dòng)器的增益-帶寬乘積應(yīng)比升壓放大器的增益-帶寬乘積?。?/p>

(4)整個(gè)閉環(huán)內(nèi)的相移應(yīng)盡可能小。

3 典型應(yīng)用

3.1 可編程電源

可編程電源要求放大器在高電壓和大電流的工作狀態(tài)下仍具有線(xiàn)性度高、失調(diào)電壓低和偏置電流小的特性，此外，在某些特定情況下還要求具有快速響應(yīng)性。高精度可編程電源選擇ad707作為前級(jí)放大器，它具有很低的失調(diào)電壓以便在高精度的18位dac輸人下獲得最好的工作特性。輸出的電阻分壓器將輸出成比例的降到dac的滿(mǎn)刻度范圍內(nèi)，因?yàn)樗鼤?huì)影響電路的精度，所以必須選擇高質(zhì)量和低溫度系數(shù)(tc)的電阻器。如果用一個(gè)密封電阻網(wǎng)絡(luò)，那么絕對(duì)溫度系數(shù)不像分壓電阻溫度系數(shù)對(duì)電路的影響那么重要。當(dāng)用一個(gè)外部dac反饋電阻器時(shí)，最好使用分壓器。用內(nèi)部的dac反饋電阻器可以確保dac本身最好的溫度漂移特性，大多數(shù)采用外部反饋電阻器的dac溫度漂移可以達(dá)到300ppm／℃。

3.2 電磁偏轉(zhuǎn)放大器

pb50的所有工作特性不僅僅在高電壓下才能實(shí)現(xiàn)。電磁偏轉(zhuǎn)應(yīng)用場(chǎng)合要求放大器在它所能提供的電流下有很高的轉(zhuǎn)換速率，雖然這種工作狀態(tài)下的電壓并不高，但是pb50仍可以滿(mǎn)足要求。而在以前只有某些昂貴的集成功率放大器才能夠同時(shí)滿(mǎn)足轉(zhuǎn)換速率和增益帶寬要求。

用pb50可以構(gòu)成電磁偏轉(zhuǎn)放大器電路。該電路通過(guò)把偏轉(zhuǎn)線(xiàn)圈放在電流反饋環(huán)內(nèi)強(qiáng)迫線(xiàn)圈電流與輸入電壓成正比，在這個(gè)例子中，反饋電阻器來(lái)對(duì)升壓放大器進(jìn)行增益補(bǔ)償，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。輔助反饋網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償高頻時(shí)電感線(xiàn)圈和電流檢測(cè)電阻器引起的90°相移，以確保瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)的穩(wěn)定性。任何電磁線(xiàn)圈放大器的最快瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間取決于其放大器輸出電壓范圍和線(xiàn)圈自身電感。近140v的電壓加在200μh的線(xiàn)圈上，最小瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間約為2μs，而tl071和pb50組成的電路能提供40v／μs的轉(zhuǎn)換速率，這意味著放大器提供滿(mǎn)電壓輸出需時(shí)4μs，最終該電路的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于6μs，相當(dāng)于83khz的掃描速度。