CN106656067B - 一种用普通运算放大器设计的高电压大功率放大电路 - Google Patents

一种用普通运算放大器设计的高电压大功率放大电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及测试测量、计算机、通讯等领域的信号调理，为一种利用普通运算放大器提高电路增益、增大输出电压及功率的放大电路。一种用普通运算放大器设计的高电压大功率放大电路，包括依次连接的低压控制单元、高压驱动单元、高压大功率输出单元以及输出反馈单元，所述的输出反馈单元与低压控制单元连接。本发明低压控制单元通过普通运算放大器实现输出电压及功率的控制与调节；高压驱动单元直接控制高压大功率输出单元输出端的电压和电流；高压大功率输出单元实现提高了输出功率量级、电压摆率及电压范围；输出反馈单元将高压大功率输出单元输出端高压信号通过分压后反馈到输入端，实现输入控制信号对输出端电压和响应速度的调节。

Description

一种用普通运算放大器设计的高电压大功率放大电路
技术领域
本发明涉及测试测量、计算机、通讯等领域的信号调理，为一种利用普通运算放大器提高电路增益、增大输出电压及功率的放大电路。
背景技术
在测试测量、计算机、通讯等领域都需要对信号进行调理，调理电路中使用最多的就是集成运算放大器，目前集成运算放大器最大供电电压普遍不高，输出功率有限，对电路设计造成了一定的局限性；另外集成运算放大器在信号高增益放大时，通常它的输出级会产生瞬时饱和或截止现象，即瞬时工作到非线性区域，因而运算放大器内部常会增加补偿电容，当增加补偿电容后运算放大器的频率响应、瞬态响应和转换速率受到影响。
由于运算放大器输出电压范围做不高，输出功率也无法做到很大，但在某些应用领域中，需要调理后输出电压和功率较大；应用需要和器件之间的这一矛盾给目前的设计带来了极大的不便和阻碍。
发明内容
针对以上集成运算放大器的自身局限性和应用需要，本发明提出一种利用普通运算放大器实现高电压大功率放大电路。通过运算放大器及***电路构建低压控制电路和高压输出电路，提高电路的增益，将小信号放大到超过运算放大器供电电压和输出功率的高电压大功率输出信号。
本发明的技术方案在于：
一种用普通运算放大器设计的高电压大功率放大电路，包括依次连接的低压控制单元、高压驱动单元、高压大功率输出单元以及输出反馈单元，所述的输出反馈单元与低压控制单元连接；
其中，低压控制单元通过普通运算放大器控制高压驱动单元中流过两个三极管的电流大小，利用其负反馈特性实现输出电压及功率的控制与调节；高压驱动单元直接控制高压大功率输出单元输出端的电压和电流；高压大功率输出单元由MOSFET管或三极管构成，实现输出电压和功率的提升，提高了输出功率量级、电压摆率及电压范围；输出反馈单元将高压大功率输出单元输出端高压信号通过精确分压后反馈到输入端，实现输入控制信号对输出端电压和响应速度的调节。
所述的低压控制单元包括低电压供电的运算放大器U1A、三极管Q1、三极管Q2以及若干电阻；运算放大器U1A连接有电源；所述三极管Q1的基极通过电阻R14连接运算放大器U1A的输出端，三极管Q2的基极通过电阻R13连接运算放大器的输出端，三极管Q1的发射极和三极管Q2的发射极之间依次连接有电阻R11和电阻R10，三极管Q1的集电极通过电阻R2连接电源；三极管Q2的集电极通过电阻R1连接电源。
所述的高压驱动单元包括第一驱动输出单元以及第二驱动输出单元，第一驱动输出单元包括三极管Q4、电容C3以及电阻R6，电容C3以及电阻R6均与三极管Q4的集电极相连；第二驱动输出单元包括三极管Q3、电容C2以及电阻R5；电容C2以及电阻R5均与三极管Q3的集电极相连；三极管Q4和三极管Q3的基极之间通过依次连接的二极管D3以及二极管D4连接，二极管D3的负极与二极管D4的正极同时与电阻R10和电阻R11相连，三极管Q3的发射极连接三极管Q1的集电极，三极管Q4的发射极连接三极管Q2的集电极；电容C2、电阻R5、电容C3以及电阻R6的另一端均连接电源。
所述的高压大功率输出单元包括两个MOSFET，分别为M1和M2，M1的栅极连接三极管Q4的集电极，M2的栅极连接三极管Q3的集电极，M1的源极连接M2的漏极，M1的漏极与M2的源极连接高压供电电源；所述的M1的源极与M2的漏极之间还连接有输出电路，所述的输出电路上还一部分通过电阻R12以及电容C6接地，另一部分通过电感L1以及电容C7接地。
所述的输出反馈单元包括电压反馈电路以及RC反馈电路，所述的电压反馈电路将高压大功率输出单元输出电路的输出信号转换成低压信号反馈给运算放大器U1A的反馈端，RC反馈电路将高压大功率输出单元输出电路的输出信号直接反馈至高压驱动单元构成反馈通路。
所述的RC反馈电路左端连接低压控制单元二极管D3以及二极管D4之间的电路上，右端连接至高压大功率输出单元M1的漏极与M2的源极的连接电路上，左端与右端之间包括并列的两条支路，支路1为依次连接的电阻R7和电容C5，支路2电容C4，所述R7连接左端的电路上还通过电阻R8接地；所述的电压反馈电路其一端连接输出电路，另一端依次通过有电阻R9、电阻R4、电阻R3接地，电阻R4与电阻R3的连接电路还设有一条支路连接运算放大器U1A的反馈端，所述电阻R4还并联有电阻C1。
本发明的技术效果在于：
本发明低压控制单元通过普通运算放大器实现输出电压及功率的控制与调节；高压驱动单元直接控制高压大功率输出单元输出端的电压和电流；高压大功率输出单元实现输出电压和功率的提升，提高了输出功率量级、电压摆率及电压范围；输出反馈单元将高压大功率输出单元输出端高压信号通过精确分压后反馈到输入端，实现输入控制信号对输出端电压和响应速度的调节。
附图说明
图1 为本发明信号放大电路的总体结构框图。
图2 本发明信号放大电路的具体实施结构图。
具体实施方式
一种用普通运算放大器设计的高电压大功率放大电路，包括依次连接的低压控制单元、高压驱动单元、高压大功率输出单元以及输出反馈单元，所述的输出反馈单元与低压控制单元连接。
所述的低压控制单元包括低电压供电的运算放大器U1A、三极管Q1、三极管Q2以及若干电阻；运算放大器U1A连接有电源；所述三极管Q1的基极通过电阻R14连接运算放大器U1A的输出端，三极管Q2的基极通过电阻R13连接运算放大器的输出端，三极管Q1的发射极和三极管Q2的发射极之间依次连接有电阻R11和电阻R10，三极管Q1的集电极通过电阻R2连接电源；三极管Q2的集电极通过电阻R1连接电源。
其中U1A是一个低电压供电的运算放大器，通过输入信号和电压反馈信号的比较，利用负反馈稳定特性，其输出电压控制Q1和Q2的线性工作状态，进而可控制流过R1、R2的电流大小和高压驱动单元两个三极管基极电压大小。因此高压驱动单元中三极管的电流大小是由低压控制单元控制的，通过控制高压驱动单元的电流大小，可控制高压大功率输出单元MOSFET管栅极和源极之间的电压大小，由此可控制高压输出单元的工作状态，即控制其输出端的电压和电流大小。
所述的高压驱动单元包括第一驱动输出单元以及第二驱动输出单元，第一驱动输出单元包括三极管Q4、电容C3以及电阻R6，电容C3以及电阻R6均与三极管Q4的集电极相连；第二驱动输出单元包括三极管Q3、电容C2以及电阻R5；电容C2以及电阻R5均与三极管Q3的集电极相连；三极管Q4和三极管Q3的基极之间通过依次连接的二极管D3以及二极管D4连接，二极管D3的负极与二极管D4的正极同时与电阻R10和电阻R11相连，三极管Q3的发射极连接三极管Q1的集电极，三极管Q4的发射极连接三极管Q2的集电极；电容C2、电阻R5、电容C3以及电阻R6的另一端均连接电源。
通过低压控制单元控制三极管Q3以及三极管Q4的发射极电流和基极电压来控制其集电极电压大小，进而控制流过R5、R6上的电流大小，通过改变R5、R6电阻上的电压大小来控制高压输出MOSFET的线性工作特性。
所述的高压大功率输出单元包括两个MOSFET，分别为M1和M2，M1的栅极连接三极管Q4的集电极，M2的栅极连接三极管Q3的集电极，M1的源极连接M2的漏极，M1的漏极与M2的源极连接高压供电电源；所述的M1的源极与M2的漏极之间还连接有输出电路，所述的输出电路上还一部分通过电阻R12以及电容C6接地，另一部分通过电感L1以及电容C7接地。
M1一个为PMOS，一个为NMOS，互为对管，形成推挽输出。通过选择不同电压的供电电源和耐压的MOSFET，可提高输出端电压。通常选择输出耐压耐流较大的器件，通过对MOSFET增加散热装置可有效的提高输出功率能力。输出端两个MOSFET的工作特性由电阻R5、R6上的压降决定，其压降是通过其电流大小改变的，通过低压控制单元的控制，改变很小的电流便可实现输出电压或功率的调整，有效的提高了输出响应速度和精度。
所述的输出反馈单元包括电压反馈电路以及RC反馈电路。所述的电压反馈电路其一端连接输出电路，另一端依次通过有电阻R9、电阻R4、电阻R3接地，电阻R4与电阻R3的连接电路还设有一条支路连接运算放大器U1A的反馈端，所述电阻R4还并联有电阻C1。电压反馈电路通过精密电阻的分压作用，将高压大功率输出单元输出电路的输出电压反馈到低压控制单元的运算放大器U1A的反馈端，控制运算放大器U1A的输出，调节高压驱动电流。
所述的RC反馈电路左端连接低压控制单元二极管D3以及二极管D4之间的电路上，右端连接至高压大功率输出单元M1的漏极与M2的源极的连接电路上，左端与右端之间包括并列的两条支路，支路1为依次连接的电阻R7和电容C5，支路2电容C4，所述R7连接左端的电路上还通过电阻R8接地；RC反馈电路将高压大功率输出单元输出电路的输出电压反馈到高压驱动单元，直接影响低压电压控制单元的输出和高压驱动单元的控制端，可提高高压驱动单元的输出变化速度，提高电路的响应速率。

Claims (5)

1.一种用普通运算放大器设计的高电压大功率放大电路，其特征在于：包括依次连接的低压控制单元、高压驱动单元、高压大功率输出单元以及输出反馈单元，所述的输出反馈单元与低压控制单元连接；
其中，低压控制单元包括低电压供电的运算放大器U1A、三极管Q1、三极管Q2以及若干电阻；运算放大器U1A连接有电源；所述三极管Q1的基极通过电阻R14连接运算放大器U1A的输出端，三极管Q2的基极通过电阻R13连接运算放大器的输出端，三极管Q1的发射极和三极管Q2的发射极之间依次连接有电阻R11和电阻R10，三极管Q1的集电极通过电阻R2连接电源；三极管Q2的集电极通过电阻R1连接电源；
低压控制单元通过普通运算放大器控制高压驱动单元中流过两个三极管的电流大小，利用其负反馈特性实现输出电压及功率的控制与调节；高压驱动单元直接控制高压大功率输出单元输出端的电压和电流；高压大功率输出单元由MOSFET管或三极管构成，实现输出电压和功率的提升，提高了输出功率量级、电压摆率及电压范围；输出反馈单元将高压大功率输出单元输出端高压信号通过精确分压后反馈到输入端，实现输入控制信号对输出端电压和响应速度的调节。
2.根据权利要求1所述的一种用普通运算放大器设计的高电压大功率放大电路，其特征在于：所述的高压驱动单元包括第一驱动输出单元以及第二驱动输出单元，第一驱动输出单元包括三极管Q4、电容C3以及电阻R6，电容C3以及电阻R6均与三极管Q4的集电极相连；第二驱动输出单元包括三极管Q3、电容C2以及电阻R5；电容C2以及电阻R5均与三极管Q3的集电极相连；三极管Q4和三极管Q3的基极之间通过依次连接的二极管D3以及二极管D4连接，二极管D3的负极与二极管D4的正极同时与电阻R10和电阻R11相连，三极管Q3的发射极连接三极管Q1的集电极，三极管Q4的发射极连接三极管Q2的集电极；电容C2、电阻R5、电容C3以及电阻R6的另一端均连接电源。
3.根据权利要求1所述的一种用普通运算放大器设计的高电压大功率放大电路，其特征在于：所述的高压大功率输出单元包括两个MOSFET，分别为M1和M2，M1的栅极连接三极管Q4的集电极，M2的栅极连接三极管Q3的集电极，M1的源极连接M2的漏极，M1的漏极与M2的源极连接高压供电电源；所述的M1的源极与M2的漏极之间还连接有输出电路，所述的输出电路上还一部分通过电阻R12以及电容C6接地，另一部分通过电感L1以及电容C7接地。
4.根据权利要求1所述的一种用普通运算放大器设计的高电压大功率放大电路，其特征在于：所述的输出反馈单元包括电压反馈电路以及RC反馈电路，所述的电压反馈电路将高压大功率输出单元输出电路的输出信号转换成低压信号反馈给运算放大器U1A的反馈端，RC反馈电路将高压大功率输出单元输出电路的输出信号直接反馈至高压驱动单元构成反馈通路。
5.根据权利要求4所述的一种用普通运算放大器设计的高电压大功率放大电路，其特征在于：所述的RC反馈电路左端连接低压控制单元二极管D3以及二极管D4之间的电路上，右端连接至高压大功率输出单元M1的漏极与M2的源极的连接电路上，左端与右端之间包括并列的两条支路，支路1为依次连接的电阻R7和电容C5，支路2为 电容C4，所述R7连接左端的电路上还通过电阻R8接地；所述的电压反馈电路其一端连接输出电路，另一端依次通过有电阻R9、电阻R4、电阻R3接地，电阻R4与电阻R3的连接电路还设有一条支路连接运算放大器U1A的反馈端，所述电阻R4还并联有电阻C1。
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