高速高壓放大器的考慮因素以及容性負(fù)載對(duì)輸出的影響

電壓放大器是配合信號(hào)源(信號(hào)發(fā)生器)的理想工具，通過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)備連接，可以拓展信號(hào)源的輸入電壓幅度范圍。典型的信號(hào)源輸入范圍都是10Vpp，而在MEMS、光電、超聲等研究和應(yīng)用領(lǐng)域，這樣的電壓幅度往往不能滿足要求，因而用到電壓放大器。而隨著系統(tǒng)、設(shè)備處理速度的提高，高壓放大器一般都有高速響應(yīng)特性。

高電壓放大器的快速響應(yīng)特性不僅體現(xiàn)在帶寬和壓擺率，也與zui大輸出電流、負(fù)載的電容特性等密切相關(guān)。本文介紹如何根據(jù)用戶需求，選擇合適的高速高壓放大器。

關(guān)鍵詞：高壓放大器，電壓放大器，帶寬，壓擺率，電容性負(fù)載

主要技術(shù)指標(biāo)：帶寬和壓擺率

描述高速高電壓放大器基本特性的主要指標(biāo)有：帶寬(包括“大信號(hào)帶寬”和“小信號(hào)帶寬”)和壓擺率。

“大信號(hào)帶寬”描述的是，在大信號(hào)輸入條件下，放大器的輸出電壓幅度隨頻率變化的關(guān)系。從圖中我們可以看到，當(dāng)超過(guò)某一個(gè)頻點(diǎn)時(shí)，放大器的zui大輸出電壓會(huì)迅速下降；輸出電壓降低到“zui大電壓的0.707倍”時(shí)的頻點(diǎn)，就稱之為3dB帶寬(功率降低3dB)；此外還有一種表示方式，即0.1dB帶寬(功率降低0.1dB)，在這個(gè)頻點(diǎn)的輸出電壓是“zui大電壓的0.98倍”(正因?yàn)槿绱耍?.1dB帶寬也被稱之為“滿功率帶寬”，而3dB帶寬被稱為“半功率帶寬”)。由此可見(jiàn)，0.1dB帶寬的數(shù)值要小于3dB帶寬。

除了大信號(hào)帶寬之外，還有一種帶寬的指標(biāo)，即“小信號(hào)帶寬”。顧名思義，小信號(hào)帶寬是指放大器在小信號(hào)條件下，輸出電壓和頻率之間的關(guān)系。小信號(hào)帶寬也可以用3dB帶寬和0.1dB帶寬兩種方式來(lái)表示。

明白了帶寬的幾種表示形式之后，讀者就可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，準(zhǔn)確的選擇所需的放大器型號(hào)了。需要注意的是，不同廠家、不同型號(hào)描述帶寬的方式都各不相同，因此在選擇的時(shí)候與廠家，詢問(wèn)指標(biāo)的具體表示方式。

圖1-大信號(hào)帶寬和小信號(hào)帶寬

“階躍響應(yīng)”和“壓擺率”都是描述放大器響應(yīng)速度的指標(biāo)。“階躍響應(yīng)”是指放大器輸出脈沖從10%上升到90%所需要的時(shí)間，單位是秒(通常都在微秒，即10-6秒量級(jí))；“壓擺率”描述輸出電壓的上升(或下降)速度，即單位時(shí)間內(nèi)輸出電壓上升(或下降)的幅度，單位是“V/uS”(伏每微秒)。

這兩個(gè)指標(biāo)都描述了放大器產(chǎn)生快速脈沖、快速方波的能力，與此同時(shí)同時(shí)也是帶寬的限制因素。下面結(jié)合圖形來(lái)說(shuō)明這兩個(gè)指標(biāo)和帶寬的關(guān)系。

從圖4我們可以看出，對(duì)于正弦波而言，上升速度zui快的階段是在0V附近；隨著頻率的升高，波形在0V附近的上升速度越快(波形越陡)。這就要求放大器提供快速的電壓上升，否則就會(huì)在0V附近產(chǎn)生波形失真，而失真的情況就是輸出波形將會(huì)畸變成三角波、并且輸出幅度被壓縮。
 

圖2-階躍響應(yīng)和壓擺率(圖中10%-90%的階躍響應(yīng)是2.8us；壓擺率是80V/2.8μs = 29V/μs)

圖3-不同壓擺率下的輸出結(jié)果(依次是：無(wú)失真放大、有波形失真、波形*變形)

圖4-壓擺率與頻率的關(guān)系(頻率越高,波形上升速度的要求越高)

電容性負(fù)載帶來(lái)的壓擺率降低

上述的討論是假設(shè)負(fù)載端不會(huì)影響放大器的輸出，即純電阻負(fù)載(或弱容性負(fù)載)。但實(shí)際上，電壓放大器所驅(qū)動(dòng)的典型負(fù)載，例如壓電器件、光電傳感器甚至同軸電纜等，都是高度容性的器件。

當(dāng)電壓放大器的輸出電壓達(dá)到一定幅度時(shí)，輸出端所連接的負(fù)載(等效電路為電容)兩端就施加了相應(yīng)幅度的電壓(等效為電容充電)，如圖5。如果放大器有輸出電流限制(保護(hù))，zui大電流不超過(guò)IL，此時(shí)負(fù)載(等效電容)就會(huì)以一定的速度進(jìn)行充電。此時(shí)單位時(shí)間內(nèi)的電壓上升(下降) 的幅度，即壓擺率就表示為SA= IL/C；對(duì)于高度容性的負(fù)載來(lái)說(shuō)，此時(shí)的壓擺率比純電阻負(fù)載的壓擺率小的多；那么相應(yīng)的正弦波的帶寬也會(huì)變小。

圖5-容性負(fù)載會(huì)改變壓擺率
 

典型放大器的等效電路都會(huì)包含一個(gè)通用運(yùn)算放大器模型，如圖6。當(dāng)放大器輸出端連接容性負(fù)載時(shí)，由于電容的充電效應(yīng)，輸出電壓會(huì)產(chǎn)生延遲。這就意味著運(yùn)放的負(fù)輸入端(-) 的電壓也有延遲 ，這時(shí)在運(yùn)放正負(fù)輸入端就形成了相位差。在特定頻點(diǎn)時(shí)，運(yùn)放輸入端的相位差會(huì)造成輸出信號(hào)的諧波失真，包括寄生波形、 諧振波形、溢出波形等等。

理論上，當(dāng)任何放大器接電容性負(fù)載時(shí)，都會(huì)出現(xiàn)特定頻率下無(wú)法正常工作的情況。為了解決這一問(wèn)題，可以在放大器的設(shè)計(jì)電路中增加一個(gè)二級(jí)放大器，使電容端口與運(yùn)放的正負(fù)端口隔離，如圖8。

圖6-典型電壓放大器等效電路圖(電容端與運(yùn)放負(fù)輸入相連)

圖7-特定頻率下的諧波模式

圖8-改進(jìn)的放大器等效電路圖(電容端與運(yùn)放負(fù)輸入隔離)
 

實(shí)際測(cè)試案例：電壓放大器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

接下來(lái)，我們結(jié)合實(shí)際電壓放大器的技術(shù)指標(biāo)、測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)回顧一下上述介紹的原理。以華賀公司代理的荷蘭法科公司高速高電壓放大器WMA-300為例，WMA-300適用于需要高速、高頻率的應(yīng)用，帶寬高達(dá)5MHz (3dB大信號(hào)帶寬) ，壓擺率可以達(dá)到2000V/µs。WMA-300的典型應(yīng)用是用于MEMS (微機(jī)電系統(tǒng)) 驅(qū)動(dòng)或光電傳感器驅(qū)動(dòng)，在這些應(yīng)用領(lǐng)域中，同軸電纜、驅(qū)動(dòng)器件都是典型的電容性負(fù)載 (同軸線的典型電容值大約100pF，傳感器的典型電容值大約10nF) 。

WMA-300的大信號(hào)帶寬響應(yīng)如圖10所示 (zui大輸出電壓300Vpp) ，由示波器測(cè)試得到的壓擺率如圖11。從技術(shù)指標(biāo)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)都能看出，WMA-300可以理想的輸出100KHz/300Vpp方波；圖12是實(shí)際測(cè)試的圖形，可見(jiàn)上升/下降沿的波形都很理想。

而當(dāng)我們?cè)谳敵龆嗽黾与娙菪载?fù)載之后，輸出波形的壓擺率逐漸變化，如圖13。當(dāng)電容值是150pF時(shí)，壓擺率保持不變；而當(dāng)電容值增加到nF量級(jí)的時(shí)候，壓擺率就明顯下降，使放大器的工作頻率降低。

由于WMA-300采用的是改進(jìn)的等效電路圖(圖8)，因此在各個(gè)頻率下都沒(méi)有出現(xiàn)明顯的諧波。
 

圖9(左)-華賀公司代理的荷蘭法科公司W(wǎng)MA-300型高速高壓放大器

圖10(右)-WMA-300的大信號(hào)帶寬
 

圖11(左) WMA-300的階躍響應(yīng)是125ns;壓擺率是1920V/µs.

圖12(右)-在純電阻負(fù)載時(shí),WMA-300輸出的300Vpp/100KHz方波
 

圖13-不同容性的負(fù)
載對(duì)輸出端壓擺率的影響

       結(jié)論：

在選擇高壓放大器時(shí)，首先需要考慮應(yīng)用的輸出電壓、帶寬和壓擺率；除此之外還要考慮負(fù)載的電容性，以及由負(fù)載電容性帶來(lái)的壓擺率/帶寬下降；zui后，要了解放大器的設(shè)計(jì)，有沒(méi)有電容穩(wěn)定性功能(消除諧波失真)。綜合考慮上述所有因素，才能選擇出一款zui合適的放大器。