波形功率放大器 

產品典型應用場景 

波形功率放大器是用以對波形發生器（函數發生器、脈沖發生器和任意波形發生器等）信號進行功率、電壓或電流放大，為測試測量應用的負載提供電信號驅動的儀器。獨立的波形功率放大器包括電壓放大器、電流放大器和電壓/電流放大器；此外，還有一種將波形發生器、波形功率放大器與直流電源相結合的獨立分支特色產品，稱為雙極型電源。

波形功率放大器的典型應用包括：

- 壓電轉換器（高電壓和高電流）驅動

- 高頻亥姆霍茲線圈（高電流）驅動

- MEMS微機電系統（高電壓）驅動

- 脈沖和瞬態器件（高功率）驅動

- 集成電路放大器電源抑制比、放大器共模抑制比測試

- 二次電源紋波噪聲模擬

- 低壓差線性穩壓器（LDO）線路瞬變測試驅動

      北京華賀技術有限公司可為客戶提供各類實驗室級別的波形功率放大器產品和應用選型、系統集成和服務。

波形功率放大器原理

波形發生器的局限性

函數發生器，脈沖發生器和任意波形發生器是非常常用的實驗室儀器，通常輸出電壓被限制到約10V，輸出電阻通常為50歐姆。盡管現有儀器可提供的波形非常豐富，但其本身的輸入輸出特性在應用中存在如下局限性：

1）負載驅動電壓電流受限問題

2）容性負載驅動高頻失真問題

      3）感性負載驅動低頻失真問題

波形功率放大器

波形功率放大器用以解決以上局限性問題。波形功率放大器通過電壓、電流放大和阻抗匹配電路，將波形發生器產生的驅動信號匹配實際負載，達到理想驅動效果。

波形功率放大器中輸入電阻一般匹配為高阻或50Ω，輸出電阻匹配為50Ω或近零值。電壓輸出范圍高于輸入范圍，稱為電壓放大器；電流輸出范圍高于輸入范圍，稱為電流放大器，電壓電流輸出范圍均高于輸入范圍，則稱為電壓/電流放大器。

波形功率放大器原理

波形發生器、波形功率放大器同直流電源結合而產生的雙極型電源，可以工作在四象限模式，實現工作模式的自由切換，屬于專業電源類產品，可設定工作在恒壓（近零輸出電阻）、恒流（高阻）模式，信號帶寬DC~150kHz，可用于電源紋波模擬、四象限電源波形控制、各種低阻/容性/感性負載驅動，太陽能光伏測試等特殊應用場合，應用領域更加深入和廣泛。

實驗室級波形功率放大器產品

典型應用案例原理及分析

1.  電容性負載驅動：壓電器件（電壓/電流放大器）

壓電陶瓷晶片是一種結構簡單且輕巧的電學器件，當電壓作用于壓電陶瓷時，就會隨電壓和頻率的變化產生機械變形；另一方面，當振動壓電陶瓷時，則會產生相應電荷。壓電陶瓷晶片適合機械形變、振動、次聲波、聲波和超聲波和次聲波的產生和檢測，具有靈敏度高，無磁場散播外溢，不用銅線和磁鐵，成本低耗電少，便于大量生產等優點而獲得了廣泛應用。常見的壓電器件包括：壓電陶瓷片、壓電傳感器、壓電換能器等。

當壓電器件用于產生形變、振動、次聲波、聲波和超聲波時，需要相應頻率的電信號驅動。壓電器件是典型的容性負載器件，隨驅動電信號頻率的升高呈現低阻抗特性，因而對驅動源提出了更高的要求。例如：如果高頻率壓電器件的電容是3.3uF，所要求的驅動峰值電壓為20V，頻率為10kHz，根據歐姆定律計算，所需的峰值驅動電流是4.14A。

依據前述原理，我們可以選擇相應的波形功率放大器，配合波形發生器，完成壓電器件的驅動。直接驅動配置如下圖：

 直接驅動配置

如果驅動需要更大電流，我們可以通過并聯的方式擴展測試應用。

并聯擴展波形功率放大器的應用

某些壓電器件需要更高偏置電壓才能驅動，這時我們可以考慮串聯一個直流電源的方式來實現。一般而言，獨立直流電源內部都并聯了一個大電容，不過為了安全起見，我們還是建議增加一個大電容旁路。

串聯獨立直流電源增加偏壓

具體實例：

使用壓電元件進行微流量控制的原理是利用壓電片的逆電壓效應（即對壓電

片施加一定的驅動電壓，可以造成壓電片的形變），產生周期性的形變，進而的控制液體的微流量。通過實驗發現，當驅動頻率在100‐500Hz時，壓電片達到*形驅動電壓的幅度可以控制液體的微流量。下圖是微流量控制系統的原理框圖，該系統中使用2340型波形功率放大器。

2. 電感性負載驅動：線圈（電流放大器）

亥姆霍茲線圈，是指如果有一對相同的載流圓線圈彼此平行且共軸，通以同方向電流，當線圈間距等于線圈半徑時，兩個載流線圈的總磁場在軸的中點附近的范圍內是均勻的。亥姆霍茲線圈主要用途是，產生標準磁場；霍爾探頭和各種磁強計的定標 ；地磁場的補償 ；磁屏蔽效果的判定 ；空間輻射磁場的測量和排除 ；物質磁特性的研究；生物磁性的研究等等。

近年來，驅動亥姆霍茲線圈產生高頻高場強磁場的應用越來越熱門，在諸如磁場傳感器校準、生物標本磁場照射和免疫研究領域都有強勁需求。

亥姆霍茲線圈可以做成3D的，其基礎是一維方向的。下圖為一個一維方向的亥姆霍茲線圈示意圖。

軸的中點附近的磁場計算公式如下：

其高頻電路模型為2個LCR電路：

其中，Cp1和Cp2為寄生電容，一般很小，這里忽略簡化。

      因此，我們可以按照磁場大小和阻抗，確定驅動的電流電壓，選擇相應的波形功率放大器，直接驅動線圈，這種驅動方式適用于低頻。

直接驅動配置

隨著驅動電信號頻率的升高，線圈的阻抗特性呈感性，并隨頻率顯著提升，≈jwL，驅動開始變得困難。例如，對于200kHz的信號，即使電感值為2mH，總阻抗高達2512歐姆。而強磁場需要維持大電流有效值，驅動將變得困難。這時，可以通過串聯諧振的方法，串入一個電容，電容值根據諧振頻率和線圈電感值確定。然而，這樣的電路存在潛在擊穿電容的風險。例如，根據電壓、電流和阻抗的關系: 200kHz，2A的電流，那么電容需要承受2512V的電壓。

串聯諧振驅動配置
      如果需要進一步提高（分擔）電流，可通過電流放大器諧振法，在電路中再并聯一個與串聯諧振電容值相等的電容，可以使通過線圈的電流有效值加倍。

                                                          電流放大器諧振法驅動配置

以上測試配置方法同樣適用于其它感性負載，如：電機等的驅動。

3.  低阻抗驅動：低壓差線性穩壓器（LDO）測試

低壓差線性穩壓器是新一代的集成電路穩壓器，它可用于電流主通道控制，芯片上集成了具有極低線上導通電阻的mosfet，肖特基二極管、取樣電阻和分壓電阻等硬件電路，并具有過流保護、過溫保護、精密基準源、差分放大器、延遲器等功能。低壓差線性穩壓器被廣泛應用于各類工業和消費類電子的二次電源設計中。

LDO滿載（重載）狀況下的電源電壓抑制比PSRR（又稱為電源紋波抑制）反映了LDO對各種干擾信號的抑制能力，對于二次電源的外部旁路、補償電路設計調試具有重要參考意義，因而非常有測試的必要。

傳統的PSRR測試通過網絡分析儀（例如：Agilent 439）進行測試，測試原理如下圖。由于網絡分析儀輸出激勵源的輸出阻抗為50Ω，不能有效驅動LDO達到滿載（重載），其測量結果只能反應LDO空載（輕載）狀況下的PSRR，不具備直接參考價值。

                                                     直接測試法

通過在測試電路中引入波形功率放大器，可以有效解決網絡分析儀的輸出阻抗問題，輸出阻抗近乎為0，可實現對LDO驅動達到滿載。這里使用的波形功率放大器需要具有DC直流偏置的功能，實現LDO驅動所需的偏置電壓（例如：3.3V），通過調整網絡分析儀輸出源的幅度，改變波形功率放大器輸出的交流成分（紋波模擬，例如：峰峰值200mV），就可以完成LDO滿載（重載）下的PSRR測試。需要說明的是：這種測試方法事先需要網絡分析儀校準，保存校準曲線供測試使用，校準連接如下圖。實測結果顯示了不同驅動電流下PSRR測試結果的差異。

引入波形功率放大器的PSRR測試方法及結果

同理，我們還可以將波形功率放大器引入到低壓差線性穩壓器的其它測試項目，例如：線路瞬間電脈沖測試。我們可以通過任意波形發生器AWG定義LDO的瞬態突變脈沖，包括：脈沖寬度、上升沿、下降沿，但因為AWG的輸出阻抗特性，無法直接驅動LDO。這時就可以利用波形功率放大器實現阻抗匹配，對LDO進行驅動，從而利用示波器在輸出端測定LDO線路瞬間轉換的過沖、穩定時間等參數，原理如下。

線路瞬間電脈沖沖擊特性測試定義

線路瞬間電脈沖沖擊特性測試配置