高速高壓放大器的考慮因素以及容性負載對輸出的影響

電壓放大器是配合信號源(信號發生器)的理想工具，通過簡單的設備連接，可以拓展信號源的輸入電壓幅度范圍。典型的信號源輸入范圍都是10Vpp，而在MEMS、光電、超聲等研究和應用領域，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、設備處理速度的提高，高壓放大器一般都有高速響應特性。

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

關鍵詞：高壓放大器，電壓放大器，帶寬，壓擺率，電容性負載

主要技術指標：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有：帶寬(包括“大信號帶寬”和“小信號帶寬”)和壓擺率。

“大信號帶寬”描述的是，在大信號輸入條件下，放大器的輸出電壓幅度隨頻率變化的關系。從圖中我們可以看到，當超過某一個頻點時，放大器的zui大輸出電壓會迅速下降；輸出電壓降低到“zui大電壓的0.707倍”時的頻點，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)，在這個頻點的輸出電壓是“zui大電壓的0.98倍”(正因為如此，0.1dB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，0.1dB帶寬的數值要小于3dB帶寬。

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

明白了帶寬的幾種表示形式之后，讀者就可以根據實驗要求，準確的選擇所需的放大器型號了。需要注意的是，不同廠家、不同型號描述帶寬的方式都各不相同，因此在選擇的時候與廠家，詢問指標的具體表示方式。

圖1-大信號帶寬和小信號帶寬

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

這兩個指標都描述了放大器產生快速脈沖、快速方波的能力，與此同時同時也是帶寬的限制因素。下面結合圖形來說明這兩個指標和帶寬的關系。

從圖4我們可以看出，對于正弦波而言，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，否則就會在0V附近產生波形失真，而失真的情況就是輸出波形將會畸變成三角波、并且輸出幅度被壓縮。
 

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

圖3-不同壓擺率下的輸出結果(依次是：無失真放大、有波形失真、波形*變形)

圖4-壓擺率與頻率的關系(頻率越高,波形上升速度的要求越高)

電容性負載帶來的壓擺率降低

上述的討論是假設負載端不會影響放大器的輸出，即純電阻負載(或弱容性負載)。但實際上，電壓放大器所驅動的典型負載，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。

當電壓放大器的輸出電壓達到一定幅度時，輸出端所連接的負載(等效電路為電容)兩端就施加了相應幅度的電壓(等效為電容充電)，如圖5。如果放大器有輸出電流限制(保護)，zui大電流不超過IL，此時負載(等效電容)就會以一定的速度進行充電。此時單位時間內的電壓上升(下降) 的幅度，即壓擺率就表示為SA= IL/C；對于高度容性的負載來說，此時的壓擺率比純電阻負載的壓擺率小的多；那么相應的正弦波的帶寬也會變小。

圖5-容性負載會改變壓擺率
 

典型放大器的等效電路都會包含一個通用運算放大器模型，如圖6。當放大器輸出端連接容性負載時，由于電容的充電效應，輸出電壓會產生延遲。這就意味著運放的負輸入端(-) 的電壓也有延遲 ，這時在運放正負輸入端就形成了相位差。在特定頻點時，運放輸入端的相位差會造成輸出信號的諧波失真，包括寄生波形、 諧振波形、溢出波形等等。

理論上，當任何放大器接電容性負載時，都會出現特定頻率下無法正常工作的情況。為了解決這一問題，可以在放大器的設計電路中增加一個二級放大器，使電容端口與運放的正負端口隔離，如圖8。

圖6-典型電壓放大器等效電路圖(電容端與運放負輸入相連)

圖7-特定頻率下的諧波模式

圖8-改進的放大器等效電路圖(電容端與運放負輸入隔離)
 

實際測試案例：電壓放大器實測數據

接下來，我們結合實際電壓放大器的技術指標、測試數據來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、高頻率的應用，帶寬高達5MHz (3dB大信號帶寬) ，壓擺率可以達到2000V/µs。WMA-300的典型應用是用于MEMS (微機電系統) 驅動或光電傳感器驅動，在這些應用領域中，同軸電纜、驅動器件都是典型的電容性負載 (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的大信號帶寬響應如圖10所示 (zui大輸出電壓300Vpp) ，由示波器測試得到的壓擺率如圖11。從技術指標和實測數據都能看出，WMA-300可以理想的輸出100KHz/300Vpp方波；圖12是實際測試的圖形，可見上升/下降沿的波形都很理想。

而當我們在輸出端增加電容性負載之后，輸出波形的壓擺率逐漸變化，如圖13。當電容值是150pF時，壓擺率保持不變；而當電容值增加到nF量級的時候，壓擺率就明顯下降，使放大器的工作頻率降低。

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

圖9(左)-華賀公司代理的荷蘭法科公司WMA-300型高速高壓放大器

圖10(右)-WMA-300的大信號帶寬
 

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

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

圖13-不同容性的負
載對輸出端壓擺率的影響

       結論：

在選擇高壓放大器時，首先需要考慮應用的輸出電壓、帶寬和壓擺率；除此之外還要考慮負載的電容性，以及由負載電容性帶來的壓擺率/帶寬下降；zui后，要了解放大器的設計，有沒有電容穩定性功能(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。