驱动放大电路以及包括该电路的方波脉冲产生装置制造方法
【专利摘要】一种驱动放大电路，包括：用于放大来自信号输入端(IN1)的输入信号的主运算放大器(U3)，用于生成偏置电流的偏置电流单元(U501)，偏置电流单元(U501)包括第一运算放大器(U1)，第一运算放大器(U1)的输出端连接到所述主运算放大器(U3)的第一输入端，第一输入端连接到所述信号输入端(IN1)；基于来自偏置信号输入端(IN2)的偏置信号生成偏置电压的偏置电压单元(U502)，偏置电压单元(U502)包括第二运算放大器(U2)，第二运算放大器(U2)的输出端连接到所述主运算放大器(U3)的第二输入端。本实用新型还提供一种包括如上所述的驱动放大电路的方波脉冲产生装置，其能够产生大电压、大电流，同时具备快速边沿的方波源。
【专利说明】驱动放大电路以及包括该电路的方波脉冲产生装置
【技术领域】
[0001 ] 本实用新型涉及放大电路和脉冲产生电路。
【背景技术】
[0002]分立器件被广泛应用到消费电子、计算机及外设、网络通信，汽车电子、led显示屏等领域。分立器件包括:半导体二极管、半导体三极管、特种器件及传感器；敏感器件等。
[0003]分立器件的时间参数是其重要的器件参数，会实质性影响分立器件的使用。因此，当前需要一种对时间参数进行测试的测试设备或电路。但是，当前的分立器件的测量设备有的不具备对时间参数的测量，有的即使能够对时间参数进行测量，但是在测量中的重要激励源，即方波脉冲源的品质不高。激励源对分立器件的测试非常重要，否则不能进行时间参数的测量。而当前的激励源的品质不高，也就是方波脉冲源产生的方波脉冲边缘比较平滑，而不是快速边沿方波。
实用新型内容
[0004]针对现有技术存在的问题，本实用新型提出一种驱动放大电路，包括:
[0005]用于放大来自信号输入端的输入信号的主运算放大器；
[0006]用于生成偏置电流的偏置电流单元，偏置电流单元包括第一运算放大器，第一运算放大器的输出端连接到所述主运算放大器的第一输入端，第一输入端连接到所述信号输入端;
[0007]基于来自偏置信号输入端的偏置信号生成偏置电压的偏置电压单元，偏置电压单元包括第二运算放大器，第二运算放大器的输出端连接到所述主运算放大器的第二输入端。
[0008]进一步，所述第一输入端为正输入端，所述第二输入端为负输入端，所述第一输入端连接到所述信号输入端；第一运算放大器为反转运算放大器，其正输入端接地，负输入端连接到所述第一输入端；第二运算放大器为非反转运算放大器，其正输入端接地，负输入端连接到偏置信号输入端。
[0009]进一步，主运算放大器的正输入端通过第一电阻连接到信号输入端，负输入端通过第二电阻连接到主运算放大器的输出端，该负输入端还连接到第一运算放大器的负输入端；第一运算放大器的负输入端连接到主运算放大器的正输入端，并通过第一偏置电阻连接到第一运算放大器的输出端；第二运算放大器的正输入端接地，负输入端通过第二偏置电阻连接到偏置信号输入端，还通过第三偏置电阻连接到信号输入端，以及通过第四偏置电阻连接到主运算放大器的输出端。
[0010]进一步，所述主运算放大器包括一正输入电路，所述正输入电路包括:进行初级放大的第一三极管，其基极连接电源，发射极连接到信号输入端；第一导通截止电路，该第一导通截止电路包括第二三极管、第三三极管以及补偿电容，其中，第二三极管的基极经过一RC电路连接到第一三极管的集电极，第二三极管的基极经过补偿电容连接到第三三极管的集电极，第二三极管的集电极和第三三极管的发射极接电源，其中所述RC电路并联有二极管，该二极管的阴极连接到第二三极管的基极，阳极连接到第一三极管的集电极。
[0011]进一步，所述主运算放大器还包括:电流驱动电路，其包括第四三极管、第五三极管和第六三极管，其中，第四三极管、第五三极管和第六三极管的集电极均接电源；第四三极管的基极连接到第三三极管的集电极，第四三极管的发射极连接到第五三极管的基极和第六三极管的基极；第五三极管和第六三极管的发射极连接到一起作为信号驱动放大电路的输出端。
[0012]进一步，所述主运算放大器还包括:用于调节所述电流驱动电路的输出电流的调节三极管，其中，调节三极管的基极通过一可调电阻连接到第三三极管的集电极，调节三极管的基极和发射极之间连接有一电阻，调节三极管的集电极连接到第四三极管的基极，调节三极管的发射极和集电极之间连接有一电容。
[0013]进一步，所述主运算放大器包括与所述正输入电路对称设置的负输入电路，所述负输入电路包括:进行初级放大的第一对称三极管，其基极连接电源，发射极连接到信号输入端；第二导通截止电路，该第二导通截止电路包括第二对称三极管、第三对称三极管以及对称补偿电容，其中，第二对称三极管的基极经过经过又一 RC电路连接到第一对称三极管的集电极，第二对称三极管的基极经过补偿电容连接到第三对称三极管的集电极，第二对称三极管的集电极和第三对称三极管的发射极接电源，其中所述又一 RC振荡电路并联有二极管，该二极管的阳极连接到第二对称三极管的基极，阴极连接到第一对称三极管的集电极。
[0014]进一步,偏置电流单元还包括第一偏置三极管和第二偏置三极管,第一偏置三极管和第二偏置三极管的发射极连接到一起，第一偏置三极管的基极和发射极之间连接有电阻；所述第一运算放大器的输出端、第一偏置三极管的基极和第二偏置三极管的基极连接到一起，第一偏置三极管的集电极连接电源，第二偏置三极管的集电极接地。
[0015]本实用新型还提出一种方波脉冲产生装置，包括:如前所述的驱动放大电路；脉冲生成电路，该脉冲生成电路包括用于产生波形的模数转换器和用于控制所述波形的幅值、宽度和/或频率的数字控制器，数字控制器连接到模数转换器，所述模数转换器的输出端作为信号输入端，连接到所述主运算放大器的第一输入端。
[0016]进一步，所述数字控制器为CYCLONE EP1C6，所述模数转换器为THS5651A，前述三极管选自快速三极管2N4209、2N2369、2N5160和2N3886中的一种或多种。
[0017]本实用新型的驱动放大电路除了放大输入信号，还能够使得输入信号电流偏置和电压偏置。
[0018]本实用新型的方波脉冲产生装置产生的方波脉冲的边沿达到ns级别。驱动电流能力可以大大提高，并且脉冲方波可以进行电流偏置和电压偏置。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本实用新型的方波脉冲产生装置的电路原理图；
[0020]图2为图1中的驱动放大电路的电路原理图；
[0021]图3为图2中的主运算放大器的一个实施方式的电路图；
[0022]图4为图2中的主运算放大器的又一个实施方式的电路图；
[0023]图5为图2的驱动放大电路的一个实施方式的电路图。
【具体实施方式】
[0024]根据本实用新型的第一个方面，提出一种方波脉冲产生装置，其原理图如图1所
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[0025]在一个实施方式中，所述方波脉冲产生装置包括脉冲生成电路和驱动放大电路。
[0026]脉冲生成电路包括数字控制器和模数转换器。模数转换器产生波形，数字控制器可以控制模数转换器，以输出特定幅值、宽度和频率的脉冲。数字控制器例如可以是FPGA、DSP或者单片机。
[0027]方波脉冲电路除了用数字控制器和模数转换器实现，还可以采用数字控制器和DDS集成芯片实现，DDS集成芯片例如为ANALOG公司的AD9954、AD9837等。DDS集成芯片集成了相位累加器、波形ROM、D/A转换器和低通滤波器。
[0028]但是，脉冲生成电路产生的方波的边沿和电压幅度通常不能直接用作方波脉冲源，来进行分立器件的时间参数测量。因为一般地，脉冲生成电路产生的脉冲方波最大电压幅度为IV,最大电流为20mA，无法作为驱动使用，必须对其进放大和扩流。
[0029]因此，本实用新型的方波脉冲产生装置还包括驱动放大电路。驱动放大电路对所述模数转换器输出的方波进行放大。
[0030]图2显示了图1中的驱动放大电路的一个实施方式的电路原理图。在该实施方式中，以对驱动放大电路进行零点偏置电压和偏置电流设置。
[0031]该驱动放大电路包括主运算放大器U3，主运算放大器U3主要用于对输入脉冲进行放大，运算放大器Ul(优选地，为电压型的)提供主运算放大器U3的偏置电流，通过运算放大器U2 (优选地，为电压型的)提供主运算放大器U3的偏置电压。
[0032]主运算放大器U3的正输入端(第一输入端)通过第一电阻Rin连接到信号输入端INl,信号输入端INl输入如上所述脉冲生成电路输出的方波脉冲。主运算放大器U3的正输入端还通过第二电阻Rfb连接到主运算放大器U3的输出端。
[0033]主运算放大器U3的正输入端还连接有一反转放大器(第一运算放大器Ul)。第一运算放大器Ul的正输入端接地，负输入端连接到主运算放大器U3的正输入端，输出端通过第一偏置电阻Re连接到主运算放大器U3的正输入端。
[0034]主运算放大器U3的负输入端(负输入端)连接有第二运算放大器U2。具体地，第二运算放大器U2的正输入端接地，负输入端通过第二偏置电阻Roffs连接到偏置信号输入端IN2，第二运算放大器U2的输出端连接到主运算放大器U3的负输入端。
[0035]此外，第二运算放大器U2的负输入端通过第三偏置电阻(其阻值为第一电阻Rin的C倍)连接到信号输入端INl，通过第四偏置电阻(其阻值为第二电阻Rfb的C倍)连接到主运算放大器U3的输出端，通过第二偏置电阻Roffs连接到偏置信号输入端IN2。
[0036]通过调节偏置输入点的电压就可实现对输出脉冲的移位控制，从而将脉冲模块输出的正脉冲转换为负脉冲或者正负脉冲。相比于一般的运算放大器工作电压普遍为± 15V，本实用新型的运算放大器U3的工作电压为±24V。该驱动放大电路的放大倍数Gain =Rfb/Rin。
[0037]图3显示了图2中的主运算放大器U3(驱动放大电路)的一个实施方式的电路图。在该驱动放大电路中，其主要设计思路在于，进行电容补偿同时方波脉冲信号上升沿和下降沿的边沿时间缩短。进一步，还可以使输出方波放大并扩流。其中，该驱动放大电路中的器件可以采用快速三极管2N4209、2N2369、2N5160和2N3886中的一种或多种，但本实用新型不限于此。
[0038]所述驱动放大电路包括三极管Q501 (第一三极管)，三极管Q501构建初级放大电路。三极管Q501的基极接地，发射极通过电阻R518连接输入脉冲TP1，TPl连接到上述脉冲生成电路的输出端。
[0039]所述驱动放大电路还包括快速导通截止电路，其能够让输入电压快速翻转。该导通截止电路主要由三极管Q503(第二三极管)、Q505(第三三极管)，以及补偿电容C531和C529组成。
[0040]三极管Q503的基极经过RC电路(R525、C512)连接到三极管Q501的集电极，其中该人C电路还并联有二极管IN5242B，二极管IN5242B的阳极连接到三极管Q503的基极，阴极连接到三极管Q501的集电极。三极管Q503的基极经过串联的补偿电容C531和C529连接到三极管Q505的集电极。三极管Q503的集电极和三极管Q505的发射极接电源。补偿电容C531、C529使得三极管Q503迅速导通或截止，电容C529、C531还能够消除电路振荡和毛刺。
[0041]该驱动放大电路能够使得脉冲沿迅速跳转的原因为，当TPl输入方波脉冲时，由于二极管IN5242B的存在，电阻R525两端电压维持在恒定的电压值，因此电流也恒定，因此三极管Q503在正电压时候，一直处于开启状态。三极管Q503和Q505构建快速放大和截止电路，让输入电压快速翻转。
[0042]具体地，在输入端TPl输入一个方波信号Ui，当输入信号TPl的电压Ui从OV跳变到高电平时，由于电容C531、C529两端的电压不能突变，加到三极管Q503集电极的电压为一个尖顶脉冲，其电压幅值最大，这一尖顶脉冲加到第二三极管Q503基极电流迅速从OA增大到很大，这样三极管Q503迅速从截止状态进入饱和状态，加速了三极管Q503的饱和导通，即缩短了三极管Q503饱和导通时间。同样道理，当输入信号TPl的电压Ui从高电平跳变到OV时，由于电容C531和C529两端的电压不能突变，加到三极管Q503集电极的电压为一个负尖顶脉冲，加快了三极管Q503从基极抽取电荷的过程，三极管Q503以更快的时间从饱和状态进入截止状态，即缩短了三极管Q503从饱和导通到截至时间，从而实现了波形快速稳定，方波脉冲信号上升沿和下降沿的边沿时间缩短。
[0043]优选地，所述驱动放大电路还可以包括由三极管Q508(第四三极管)、Q510(第五三极管)和Q512(第六三极管)构建的大电流驱动电路。其中，
[0044]更优选地，采用三极管Q507来调节该大电流驱动电路的驱动能力。
[0045]同理，可以同时构建正电压电路和负电压电路，负电压电路与如上所述的正电压电路原理相同，电路对称。其一个实施方式的电路图如图4所示。对于下半部分表示的负电压输入电路，三极管Q502(第一对称三极管)构建初级放大电路。三极管Q504(第二对称三极管)的基极经过经过一 RC振荡电路(R526、C513)连接到三极管Q502的集电极。补偿电容C528和C530消除电路振荡和毛刺。由于二极管IN5242B的存在，电阻R526两端电压维持在恒定的电压值，因此电流也恒定，因此三极管Q504在负电压时候，一直处于开启状态，三极管Q504和Q506 (第三对称三极管)构建快速放大和截止电路，让输入电压快速翻转。另外，三极管Q509、Q511和Q513构建大电流驱动电路。
[0046]图5显示了与图2对应的一个电路图。偏置电流单元对应于图2中运算放大器Ul，偏置电压单元对应于图2中的运算放大器U2。
[0047]偏置电流单元U501主要提供整个放大的电路偏置电流作用，其中三极管Q514(第一偏置三极管)、Q515(第二偏置三极管)主要提供微小电流的作用。其中，三极管Q514的发射极和Q515的发射极连接到一起，第一运算放大器的输出端、三极管Q514的基极和Q515的基极连接到一起，并通过一电阻(R552)连接到三极管Q514的发射极和Q515的发射极，三极管Q514的集电极连接电源，三极管Q515的集电极接地。偏置电压单元U502主要提供整个放大的电路偏置电压作用。
[0048]在方波脉冲产生装置的一个示例中，该方波脉冲产生装置包括图4所示的驱动放大电路。其中，脉冲生成电路的数字控制器采用Altera公司的CYCL0NEEP1C6，模数转换器采用TI公司的THS5651A。其主要特点为:高速电流型DA ；10位的分辨率；数据更新速率高达125MSPS ；3V和5V的CMOS兼容的数字接口 ；其输出的模拟电流边沿可达Ins。在该实施方式中，脉冲生成电路产生边沿小于5ns，电压幅度为IV的方波脉冲。
[0049]THS5651A输出的方波脉冲信号经过驱动放大电路，方波脉冲信号的上升沿和下降沿的边沿时间控制为1ns以下，零点可以平移16Vpp的方波信号，驱动能力达到1A。优选地，如果采用多层板和特殊材料，脉冲边沿可以在InS左右。
[0050]本实用新型能够产生大电压、大电流，同时具备快速边沿的方波源。
[0051]以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本实用新型的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包括于本实用新型的权利要求书要求保护的范围中。
【权利要求】
1.一种驱动放大电路，其特征在于，包括: 用于放大来自信号输入端(INl)的输入信号的主运算放大器(U3)； 用于生成偏置电流的偏置电流单元(U501)，偏置电流单元(U501)包括第一运算放大器(Ul)，第一运算放大器(Ul)的输出端连接到所述主运算放大器(U3)的第一输入端，第一输入端连接到所述信号输入端(INl)； 基于来自偏置信号输入端(IN2)的偏置信号生成偏置电压的偏置电压单元(U502)，偏置电压单元(U502)包括第二运算放大器(U2)，第二运算放大器(U2)的输出端连接到所述主运算放大器(U3)的第二输入端。
2.根据权利要求1所述的驱动放大电路，其特征在于， 所述第一输入端为正输入端，所述第二输入端为负输入端，所述第一输入端连接到所述信号输入端(INl)； 第一运算放大器(Ul)为反转运算放大器，其正输入端接地，负输入端连接到所述第一输入端； 第二运算放大器(U2)为非反转运算放大器，其正输入端接地，负输入端连接到偏置信号输入端(IN2)。
3.根据权利要求2所述的驱动放大电路，其特征在于， 主运算放大器(U3)的正输入端通过第一电阻(Rin)连接到信号输入端(INl)，负输入端通过第二电阻(Rfb)连接到主运算放大器(U3)的输出端，该负输入端还连接到第一运算放大器(Ul)的负输入端； 第一运算放大器(Ul)的负输入端连接到主运算放大器(U3)的正输入端，并通过第一偏置电阻(Re)连接到第一运算放大器(Ul)的输出端； 第二运算放大器(U2)的正输入端接地，负输入端通过第二偏置电阻(Roffs)连接到偏置信号输入端(IN2)，还通过第三偏置电阻连接到信号输入端(INl)，以及通过第四偏置电阻连接到主运算放大器(U3)的输出端。
4.根据权利要求1所述的驱动放大电路，其特征在于，所述主运算放大器(U3)包括一正输入电路，所述正输入电路包括: 进行初级放大的第一三极管(Q501)，其基极连接电源，发射极连接到信号输入端(INl)； 第一导通截止电路，该第一导通截止电路包括第二三极管(Q503)、第三三极管(Q505)以及补偿电容(C531、C529)； 其中，第二三极管(Q503)的基极经过一 RC电路(R525、C512)连接到第一三极管(Q501)的集电极，第二三极管(Q503)的基极经过补偿电容(C531、C529)连接到第三三极管(Q505)的集电极，第二三极管(Q503)的集电极和第三三极管(Q505)的发射极接电源，其中所述RC振荡电路并联有二极管(IN5242B)，该二极管(IN5242B)的阴极连接到第二三极管(Q503)的基极，阳极连接到第一三极管(Q501)的集电极。
5.根据权利要求4所述的驱动放大电路，其特征在于，所述主运算放大器(U3)还包括:电流驱动电路，其包括第四三极管(Q508)、第五三极管(Q510)和第六三极管(Q512)； 其中，第四三极管(Q508)、第五三极管(Q510)和第六三极管(Q512)的集电极均接电源； 第四三极管(Q508)的基极连接到第三三极管(Q505)的集电极，第四三极管(Q508)的发射极连接到第五三极管(Q510)的基极和第六三极管(Q512)的基极； 第五三极管(Q510)和第六三极管(Q512)的发射极连接到一起作为信号驱动放大电路的输出端。
6.根据权利要求5所述的驱动放大电路，其特征在于，所述主运算放大器(U3)还包括: 用于调节所述电流驱动电路的输出电流的调节三极管(Q507)； 其中，调节三极管(Q507)的基极通过一可调电阻(R535)连接到第三三极管(Q505)的集电极，调节三极管(Q507)的基极和发射极之间连接有一电阻(R536)，调节三极管(Q507)的集电极连接到第四三极管(Q508)的基极，调节三极管(Q507)的发射极和集电极之间连接有一电容(C516)。
7.根据权利要求4所述的驱动放大电路，其特征在于，所述主运算放大器(U3)包括与所述正输入电路对称设置的负输入电路，所述负输入电路包括: 进行初级放大的第一对称三极管(Q502)，其基极连接电源，发射极连接到信号输入端(INl)； 第二导通截止电路，该第二导通截止电路包括第二对称三极管(Q504)、第三对称三极管(Q506)以及对称补偿电容(C528、C530)； 其中，第二对称三极管(Q504)的基极经过经过又一 RC振荡电路(R526、C513)连接到第一对称三极管(Q502)的集电极，第二对称三极管(Q504)的基极经过补偿电容(C528、C530)连接到第三对称三极管(Q506)的集电极，第二对称三极管(Q504)的集电极和第三对称三极管(Q506)的发射极接电源，其中所述又一 RC电路并联有二极管(IN5242B)，该二极管(IN5242B)的阳极连接到第二对称三极管(Q504)的基极，阴极连接到第一对称三极管(Q502)的集电极。
8.根据权利要求1所述的驱动放大电路，其特征在于，偏置电流单元(U501)还包括第一偏置三极管(Q514)和第二偏置三极管(Q515),第一偏置三极管(Q514)和第二偏置三极管(Q515)的发射极连接到一起，第一偏置三极管(Q514)的基极和发射极之间连接有电阻(R552)； 所述第一运算放大器(Ul)的输出端、第一偏置三极管(Q514)的基极和第二偏置三极管(Q515)的基极连接到一起，第一偏置三极管(Q514)的集电极连接电源，第二偏置三极管(Q515)的集电极接地。
9.一种方波脉冲产生装置，其特征在于，包括: 如权利要求1-8任一种所述的驱动放大电路； 脉冲生成电路，该脉冲生成电路包括用于产生波形的模数转换器和用于控制所述波形的幅值、宽度和/或频率的数字控制器，数字控制器连接到模数转换器，所述模数转换器的输出端作为信号输入端(INl)，连接到所述主运算放大器(U3)的第一输入端。
10.根据权利要求9所述的方波脉冲产生装置，其特征在于，所述数字控制器为CYCLONE EPIC6，所述模数转换器为THS5651A，所述的三极管选自快速三极管2N4209、2N2369、2N5160和2N3886中的一种或多种。
【文档编号】H03K17/567GK203984382SQ201420363137
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年7月2日 优先权日:2014年7月2日
【发明者】胡爱民 申请人:北京自动测试技术研究所, 胡爱民