专利名称：线性放大器高压级联装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种线性放大器高压级联装置及方法。
背景技术：
高压放大器是一种高电压幅度输出的信号放大器，幅度一般可达到千伏以上，带宽响应可达KT4Hz 20kHz,上升速率可达lOOOVAis,失真率小于1%，分单极和双极放大器。单极放大器只能放大单极性直流或单极性脉冲和其他单极性信号；双极性放大器可放大交流信号、直流信号或任意其他信号，称为双极性放大器。高压放大器广泛应用于介电谱测试、电力设备绝缘诊断、压电材料驱动等方面。因应用于高精度场合，要求放大器输出电压稳定，输出电压要高，且线性度好，另外还要提供 较大电流。高压放大器以往采用高压耐压仪器来实现，这要求器件要有很高的耐压性能，受器件水平限制一般电压不高；或采用低压运算放大器加功率放大级和变压器升压来实现电压提升到千伏的幅值，但变压器不能耦合直流成分，且其耦合的交流分量频率范围也有限，尤其是对低频，超低频介电谱分析，其应用也无法实现。目前，以美国的TREK公司研制的MODEL 50/12高压放大器为例，其性能参数为0 ±50 kV DC or AC ;输出电流范围0 ± 12mA DC or AC ;转换速率高于350V/us的；大信号带宽为I. 4kHz，且失真率小于2% ;小信号带宽20kHz。该放大器能有效抑制输出电流短路和过电压的发生。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过级联线性高压放大器来实现对正弦波、三角波、梯形波电压幅值线性放大的高压放大器，高压放大器能够实现模块化结构，结构简单，易于拆卸、维护，可应用于高压电力设备的绝缘诊断分析的线性放大器高压级联装置及方法。上述的目的通过以下的技术方案实现
一种线性放大器高压级联装置，其组成包括线性放大器高压级联装置，其组成包括直流电源，其特征是所述的直流电源由一组直流电源单元模块VdCl、Vdc2-Vdcn组成，所述的直流电源单元模块Vdcl、Vdc2…Vdcn之间相互绝缘，所述的直流电源单元模块Vdcl、Vdc2…Vdcn分别与一组单元放大器模块电路API、AP2…APn之间——对应相互连接，为单元放大器模块电路API、AP2…APn提供直流电源，线性光耦电路输入端VI通过限流电阻Rl串联光发射二极管，所述的线性光耦电路输出端VO将单元放大器模块电路输出端之间串联连接，所述的最后一个单元放大器模块电路分别连接输入接地端GNDl与输出接地端GND2。所述的线性放大器高压级联方法，采用线性光耦电路对所有单元放大器模块进行信号传递，各级光耦输入侧光发射二极管串联，绝缘耐压等级由输入输出间的绝缘水平决定，光耦光接收输出侧的各放大器模块相互独立，每个放大器模块都能实现对信号的40倍放大，在各模块输出端进行串级连接，每级放大器单元模块拥有独立的直流电源，各级电源相互绝缘，最终实现对信号的40n倍放大。所述的线性放大器高压级联方法，直流电源为每个放大器单元电路中高压运放提供工作电压，各级直流电源相互绝缘；光耦隔离电路为放大电路提供电信号隔离，起着绝缘与抗干扰作用，放大器单元模块电路实现一级电压放大功能；市电电源为整个级联放大器电路提供电源电压；每个放大器电路模块能放大电压40倍，通过n级串联级联方法，实现40n倍的电压放大，实现闻电压输出。所述的线性放大器高压级联方法，所述的光耦隔离电路的单极性隔离电路采用I个HCNR200光电耦合器组成的隔离电路，它只能隔离直流信号；所述的光耦隔离电路的双极性隔离电路采用2个HCNR200光电耦合器组成，通过正反互补电路配合，能隔离交流信号，各级直流电源相互绝缘，独立为每一级提供工作电压。有益效果
I.本发明的运算放大器通过串级连接的方法实现模块化的高压放大器，单个的放大器模块可实现40倍电压放大，而n个放大器级联后，可实现40n倍电压放大。
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本发明克服了以往放大器在高压放大时，器件耐压限制和低压运算大器加功率放大器和变压器升压无法耦合直流低频高压的不足；本放大器结构简单，实现方便，可用于高压电力设备的绝缘诊断分析等场合。本发明的两个运放A3、A6实现放大功能，放大倍数均为20倍，但由于A3是同相输入，A6是反相输入，因此整个电路可放大40倍。本发明的电路通过级联的方式突破了放大器耐压器件对放大电压数值不能太高这一问题的限制，同时采用0PA454运放，能使放大器在从超低频到中高频的宽频带内正常工作，对绝缘材料的介电谱测试非常实用。而且，本电路采用模块化绿色设计，单独模块的损坏，仅替换这一环节的模块，不会影响整体电路的正常使用，其经济上和时效上的优点，是很明显的。本发明的直流电源为每个放大器单元电路中高压运放提供工作电压，各级直流电源相互绝缘；光耦隔离电路为放大电路提供电信号隔离，起着绝缘与抗干扰作用；通过线性光耦与独立直流电源的共同作用使得串级方法可以实现高电压线性放大输出。本发明的光耦隔离电路，采用I个光耦隔离，单极性隔离电路采用I个光耦组成的电路，能放大单极性直流或单极性脉冲信号；采用2个光耦，通过正反互补电路配合，能隔离交流信号，可放大交流信号、直流信号或任意其他信号。
附图I是本产品的放大器级联结构示意图。附图2是本产品的单元放大器电路模块图。附图3是附图2的放大器每级单元输入信号(f=50Hz)图。附图4是附图2的放大器每级单元输出信号(f=50Hz)图。附图5是附图2的放大器每级单元输入信号(f=0. OlHz)图。附图6是附图2的放大器每级单元输出信号(f=0. OlHz)图。附图7是本产品的单极性光耦隔离电路图。附图8是本产品的双极性光耦隔离电路图。
具体实施例方式 实施例I :
一种线性放大器高压级联装置，其组成包括直流电源，所述的直流电源由直流电源单元模块Vdcl、Vdc2…Vdcn组成,所述的直流电源单元模块Vdcl、Vdc2…Vdcn之间相互绝缘，所述的直流电源单元模块Vdcl、Vdc2…Vdcn分别与单元放大器模块电路API、AP2-APn之间相互连接，为单元放大器模块电路API、AP2-APn提供直流电源，线性光耦电路输入端VI通过限流电阻Rl串联光发射二极管，所述的线性光耦电路输出端VO将各单元放大器模块电路输出端之间串联连接，所述的最后一个单元放大器模块电路分别连接输入接地端GNDl与输出接地端GND2。实施例2
所述的线性放大器高压级联方法，采用线性光耦电路对所有单元放大器模块进行信号传递，各级光耦输入侧光发射二极管串联，绝缘耐压等级由输入输出间的绝缘水平决定，光耦光接收输出侧的各放大器模块相互独立，每个放大器模块都能实现对信号的40倍放大，在各模块输出端进行串级连接，每级放大器单元模块拥有独立的直流电源，各级电源相互绝缘，最终实现对信号的40n倍放大。 实施例3
实施例I或2所述的线性放大器高压级联方法，直流电源为每个放大器单元电路中高压运放提供工作电压，各级直流电源相互绝缘；光耦隔离电路为放大电路提供电信号隔离，起着绝缘与抗干扰作用，放大器单元模块电路实现一级电压放大功能；市电电源为整个级联放大器电路提供电源电压；每个放大器电路模块能放大电压40倍，通过n级串联级联方法，实现40n倍的电压放大，实现高电压输出。实施例4
上述的线性放大器高压级联方法，所述的光耦隔离电路的单极性隔离电路采用I个HCNR200光电耦合器组成的隔离电路，它只能隔离直流信号；所述的光耦隔离电路的双极性隔离电路采用2个HCNR200光电耦合器组成，通过正反互补电路配合，能隔离交流信号，各级直流电源相互绝缘，独立为每一级提供工作电压。实施例5
上述的线性放大器高压级联装置及方法，如图I所示基于运算放大器的级联方法，并设计了基于线性光电耦合器的单极性和双极性前置隔离电路。如附图I所示，当光耦隔离电路为放大电路提供电信号隔离和实现信号线性放大后，对每个放大器电路模块进行级联，为保证最后输出信号线性度良好，必须保证模块间同步性能良好。为杜绝元件的差异导致同步性失真，所以每个单元模块的设计和器件的选择要完全相同。如附图2所示的是单元高压放大器模块设计，经过对0PA454高压器件的了解，设计了如附图2的对称放大电路。左半部分电路由三个运放组成，中间运放实现放大功能放大电压20倍，而上下两个运放为中间运放提供电源，而根据0PA454的运行最大参数VS=(V+)-(V-)=120V，为了充分利用运放而实现最优放大，电路设计的电源电压为(V+)-(V-)=100V，而直接接此电源必然无法实现最后峰值400V的输出，电路设计的关键之处就在于用上下两个运放为中间运放提供电源，从而扩大了输出范围。其中上面运放接100V电源实现对前级输出电压的跟随，并且抬高50V，下面运放原理与上面相同，实现对前级输出电压的跟随，并且降低50V。而上下运放输出波形之差为常数100V，从而为中间运放提供了电源。电路实现了对输入的20倍放大(峰值为200V)。附图2右半部分原理与左半部分相同，只是他实现对输入的反向20倍放大，最后在3. 75 Mi电阻上输出波形，输出波形是左右部分输出波形之差，从而实现了输出峰值为400V的电压波形，如附图3 附图6所
/Jn o对模块级联，为保证每个模块相互独立性且电气性能友好，各模块间不会因互相电气影响和外来信号干扰导致失真，用线性光耦HCNR200器件设计单极性隔离电路，如附图7所示。设Vin和Vout分别为被隔离信号的输入端和输出端，根据运放的“虚短”和“虚断”特性，对图7所示的电路有
权利要求
1.一种线性放大器高压级联装置，其组成包括直流电源，其特征是所述的直流电源由一组直流电源单元模块Vdcl、Vdc2…Vdcn组成，所述的直流电源单元模块Vdcl、Vdc2…Vdcn之间相互绝缘,所述的直流电源单元模块Vdcl、Vdc2…Vdcn分别与一组单元放大器模块电路API、AP2…APn之间——对应相互连接，为单元放大器模块电路API、AP2…APn提供直流电源，线性光耦电路输入端VI通过限流电阻Rl串联光发射二极管，所述的线性光耦电路输出端VO将单元放大器模块电路输出端之间串联连接，所述的最后一个单元放大器模块电路分别连接输入接地端GNDl与输出接地端GND2。
2.—种权利要求I所述的线性放大器高压级联方法，其特征是采用线性光耦电路对所有单元放大器模块进行信号传递，各级光耦输入侧光发射二极管串联，绝缘耐压等级由输入输出间的绝缘水平决定，光耦光接收输出侧的各放大器模块相互独立，每个放大器模块都能实现对信号的40倍放大，在各模块输出端进行串级连接，每级放大器单元模块拥有独立的直流电源，各级电源相互绝缘，最终实现对信号的40n倍放大。
3.根据权利要求2所述的线性放大器高压级联方法，其特征是所述的直流电源为每个放大器单元电路中高压运放提供工作电压，各级直流电源相互绝缘；光耦隔离电路为放大电路提供电信号隔离，起着绝缘与抗干扰作用，放大器单元模块电路实现一级电压放大功能；市电电源为整个级联放大器电路提供电源电压；每个放大器电路模块能放大电压40倍，通过n级串联级联方法，实现40n倍的电压放大，实现高电压输出。
4.根据权利要求3所述的线性放大器高压级联方法，其特征是所述的光耦隔离电路的单极性隔离电路采用I个HCNR200光电耦合器组成的隔离电路，它只能隔离直流信号；所述的光耦隔离电路的双极性隔离电路采用2个HCNR200光电耦合器组成，通过正反互补电路配合，能隔离交流信号，各级直流电源相互绝缘，独立为每一级提供工作电压。
全文摘要
线性放大器高压级联装置及方法。高压放大器广泛应用于介电谱测试、电力设备绝缘诊断、压电材料驱动等方面。本产品其组成包括:直流电源，由直流电源单元模块Vdc1、Vdc2…Vdcn组成，直流电源单元模块Vdc1、Vdc2…Vdcn之间相互绝缘，与单元放大器模块电路AP1、AP2…APn之间相互连接，为单元放大器模块电路AP1、AP2…APn提供直流电源，线性光耦电路输入端VI通过限流电阻R1串联光发射二极管，线性光耦电路输出端VO将各单元放大器模块电路输出端之间串联连接，最后一个单元放大器模块电路分别连接输入接地端GND1与输出接地端GND2。本发明用于高压线性放大器。
文档编号H03F3/68GK102780463SQ20121025928
公开日2012年11月14日 申请日期2012年7月25日 优先权日2012年7月25日
发明者万星辰, 刘骥, 徐友, 戴静, 李秀婧, 黄玲, 黄磊 申请人:哈尔滨理工大学