一种双极性多路隔离输出的高压信号放大系统的制作方法

本发明属于高压信号电路设备相关领域，更具体地，涉及一种双极性多路隔离输出的高压信号放大系统。

背景技术：

高压信号放大器是一种用于开环或闭环控制系统中的精密电子仪器，它被用来输出可调节的直流高压，或者输出偏置高压与放大的函数信号叠加的高压信号。目前获得应用的高压信号放大器产品主要包括国内中科院光电技术研究所生产的gd-1型的高压放大器，国外美国burleighinstrument生产burleighmodelpz-70型的高压放大器等。工业界比较有名的产品属trek系列高速高压放大器，在业内属最先进的高压放大器，应用场景最为广泛，转换效率很高，第一个全固态、高压(±20kv)高速的放大器专利也是由美国trekinc公司开发的；此外，国内威思曼za系列产品是也是特性独特的系列电源模块。

然而，进一步的研究表明，上述现有产品仍具备以下的缺陷或不足：首先，这些高压信号放大器产品大多为单路输出，很难满足多路高压放大输出的复杂实际需求；其次，虽然有部分产品已采用微控制器作为主控单元，但整体系统仍较为复杂，而且成本很高；最后，目前的高压信号放大器产品在响应速度、稳定可靠性、波形的稳态精度等主要功能指标特性方面尚不能有效满足需求，特别是难于符合多路负载高压情形下的应用需求。相应地，本领域亟需对此作出进一步的研究和改进，以便更好地满足现代化高压信号放大器产品在质量效率及成本上的要求。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种双极性多路隔离输出的高压信号放大系统，其中通过对该系统的关键组成元件如高压信号放大模块、光继电器模块等的具体组成构造作出改进，同时还对整个电路系统的连接方式及工作机理等多个方面重新进行了设计，相应能够充分利用超前-滞后校正方式使得系统带宽获得显著增加，实现千伏级放大的同时确保灵活稳定的多路扩展输出，同时具备精度更高、结构紧凑、成本更低、便于操控等优点。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种双极性多路隔离输出的高压信号放大系统，其特征在于，该高压信号放大系统包括微控制器模块、单路双极性高压信号放大模块、多路光继电器模块和负载模块，其中：

该微控制器模块与上位机进行通讯，其用于接收包括信号波形、频率和幅值在内的设定信息，产生对应的波形信号vi发送至所述单路双极性高压信号放大模块，同时输出多路信号选通控制地址分别至所述多路光继电器模块的输入端的各个控制口；

该单路双极性高压信号放大模块由补偿反馈级电路和功率输出级电路共同组成，其中所述补偿反馈级电路采用一个前级运放作为核心元件，该前级运放的正极输入端用于接收所述波形信号vi，同时通过电阻r2和电阻r6串联连接至所述功率输出级电路的输出端以产生前级输出信号v1；该前级运放的负极输入端通过电阻r5与此前级运放的输出端相连，同时通过电阻r4接地；

所述功率输出级电路的两端分别由正、负千伏级高压直流电源供电，其中对于该功率输出级电路的低压端的正向放大部分而言，其包含有nmos管q2和nmos管q5,并且该nmos管q5的源极通过电阻r24接收所述前级输出信号v1，漏极通过电阻r23与所述nmos管q2的源极相连，该nmos管q2的漏极则通过电阻r22和电阻r21与所述千伏级高压直流电源的正极相连，由此共同以两级共栅放大的形式将所述前级输出信号v1平移到上述功率输出级电路的高压端；对于该功率输出级电路的低压端的负向放大部分而言，其包含有pmos管q8和pmos管q11，并且该pmos管q8的源极通过电阻r19接收所述前级输出信号v1，漏极通过电阻r9与所述pmos管q11的源极相连，该pmos管q11的漏极则通过电阻r10电阻r11与所述千伏级高压直流电源的负极相连，由此同样共同以两级共栅放大的形式将所述前级输出信号v1平移到所述功率输出级电路的高压端；对于该功率输出级电路的高压端的正向放大部分而言，其包含有mos管q1、mos管q3、mos管q4和mos管q6，并且该mos管q1的源级与所述千伏级高压直流电源的正极相连，该mos管q3、mos管q4和mos管q6各自的栅极之间分别通过电阻r25、电阻r16、电阻r17和电阻r18连接以形成栅极偏压电路，同时该mos管q6和该电阻r18的另一端连接高压输出口vout；对于该功率输出级电路的高压端的负向放大部分而言，其包含有mos管q7、mos管q9、mos管q10和mos管q12，并且该mos管q12的源级与所述千伏级高压直流电源的负极相连，该mos管q10、mos管q9和mos管q7各自的栅极之间分别通过电阻r15、电阻r14、电阻r13和电阻r12连接以形成栅极偏压电路，同时该mos管q7和该电阻r12的另一端连接高压输出口vout，由此正负合成后形成高压信号放大电路的对称输出，进而实现波形的双极性输出；

该多路光继电器模块的输入端用于接收所述多路信号选通控制地址，它的正极输出端分别连接来自所述单路双极性高压信号放大模块输出的多路高压信号，它的负极输出端对应驱动所述负载模块的各个负载，由此起到将数字信号与高压端光电隔离的功能，进而增加整个系统的可靠性和稳定性。

作为进一步优选地，所述电阻r5的两端优选还并联有电阻r3和电容c1，所述电阻r6的两端优选还并联有电阻r7和电容c2。

作为进一步优选地，所述负载模块的各个负载优选为三个，并且各路负载可以相同，也可以变载。

作为进一步优选地，所述多路光继电器模块优选包括包含有三路控制电路和选通输出，即用于控制hvi-1线路与ho-1线路、hvi-2线路与ho-2线路，以及hvi-3线路与ho-3线路之间的信号开断；此外，所述ho-1线路、ho-2线路和ho-3线路分别与三个所述负载相连接。

作为进一步优选地，对于所述补偿反馈级电路而言，其通过负反馈网络将输出电压反馈至所述前级运放的输入端与输入电压叠加，由此构建误差放大级且稳定输出所述前级输出信号v1；相应地，该前级运放的闭环增益g1优选采用以下公式来计算确定：

其中，t1＝r5c1，t2＝r3c1，参数s表示增益经过拉式变换后得到的复数。

作为进一步优选地，对于所述功率输出级电路而言，它最终产生的高压输出信号vq1与所述前级输出电压信号v1之间优选依照以下表达式进行计算和确定：

其中，vq1为所述mos管q1栅极的电压值，r0＝1/(γid)，其通过mos管栅源极电压与id的比值求导可得；gm2、gmb2分别表示所述mos管q2的跨导参数，为mos管q2的电路特征值；r02表示所述mos管q2的栅极电压与栅极电流之间的比值；gm5、gmb5分别表示所述mos管q5的跨导参数，是mos管q5的电路特征值；r05表示所述mos管q5的栅极电压与栅极电流之间的比值。

作为进一步优选地，对于所述功率输出级电路而言，它的开环增益值g优选采用以下公式进行计算和确定：

g＝av1av2

其中，av1＝vq1/v1并且vq1表示所述mos管q1栅极的电压值，v1表示前级输出电压信号；av2＝gm1(ro3+ro4+ro6)，并且gm1表示mos管q1的跨导参数，为mos管q1的电路特征值，r03表示所述mos管q3的栅极电压与栅极电流之间的比值，r04表示所述mos管q4的栅极电压与栅极电流之间的比值，r06表示所述mos管q6的栅极电压与栅极电流之间的比值。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，通过对系统整体的电路连接方式及其关键组件如双极性高压信号放大模块的具体设置方式等多个方面作出改进和设计，相应不仅可充分运用超前-滞后校正原理使得系统的带宽显著增加，很大地改善了响应速度并且减小了超调量，而且借助于多路光继电器模块的结构设计有效隔断了器件之间的热传导，使得放大器可靠性和稳定性大大增加；该高压信号放大系统结构更为紧凑合理，精度更高，并实现千伏级放大的同时确保灵活稳定的多路扩展输出，大大提高了各类运用场合的效率。

附图说明

图1是按照本发明优选实施方式所构建的高压信号放大系统的整体构造示意图；

图2是更为具体地显示图1中所示单路双极性信号放大模块的具体电路组成示意图；

图3是用于示范性显示本发明的多路输出选通的原理示意图；

图4是用于具体显示多路输出选通负载时的驱动流程示意图。

在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件或结构，其中：

1-微控制器模块，2-多路光继电器模块，3-单路双极性高压信号放大模块，4-负载模块，31-补偿反馈级电路，32-功率输出级电路

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明优选实施方式所构建的高压信号放大系统的整体构造示意图。如图1所示，该高压信号放大系统主要包括微控制器模块1、单路双极性高压信号放大模块3、多路光继电器模块2和负载模块4等功能组件，下面将对其逐一进行具体解释和说明。

该微控制器模块1与上位机进行通讯，其用于接收包括信号波形、频率和幅值在内的设定信息，产生对应的波形信号vi发送至所述单路双极性高压信号放大模块，同时输出多路信号选通控制地址分别至所述多路光继电器模块的输入端的各个控制口。

更具体而言，微控制器模块1优先可采用dsp主控，主控可包含addr总线，输出三路信号选通控制地址，分别为di-1，di-2，di-3，输入到多路光继电器模块2的控制口，多路光继电器模块2相当于多路电子开关，其各路输出端分别连接单路双极性高压信号放大模块的各路高压输出以及负载，可实现多路高压的灵活控制。实施例中光继电器采用cla187-nd(得捷电子)完成相应的功能。

微控制器模块1与上位机进行通讯，上位机实现人机交互功能，将设定信号波形、频率和幅值信息输入至微控制器模块1，可灵活调整输出波形的参数，实施例中的上位机由qt平台开发完成。

参看图2，该单路双极性高压信号放大模块由补偿反馈级电,31和功率输出级电路32共同组成，其中所述补偿反馈级电路采用一个前级运放作为核心元件，该前级运放的正极输入端用于接收所述波形信号vi，同时通过电阻r2和电阻r6串联连接至所述功率输出级电路的输出端以产生前级输出信号v1；该前级运放的负极输入端通过电阻r5与此前级运放的输出端相连，同时通过电阻r4接地。

所述功率输出级电路的两端分别由正、负千伏级高压直流电源供电，其中对于该功率输出级电路的低压端的正向放大部分而言，其包含有nmos管q2和nmos管q5,并且该nmos管q5的源极通过电阻r24接收所述前级输出信号v1，漏极通过电阻r23与所述nmos管q2的源极相连，该nmos管q2的漏极则通过电阻r22和电阻r21与所述千伏级高压直流电源的正极相连，由此共同以两级共栅放大的形式将所述前级输出信号v1平移到上述功率输出级电路的高压端；对于该功率输出级电路的低压端的负向放大部分而言，其包含有pmos管q8和pmos管q11，并且该pmos管q8的源极通过电阻r19接收所述前级输出信号v1，漏极通过电阻r9与所述pmos管q11的源极相连，该pmos管q11的漏极则通过电阻r10电阻r11与所述千伏级高压直流电源的负极相连，由此同样共同以两级共栅放大的形式将所述前级输出信号v1平移到所述功率输出级电路的高压端；对于该功率输出级电路的高压端的正向放大部分而言，其包含有mos管q1、mos管q3、mos管q4和mos管q6，并且该mos管q1的源级与所述千伏级高压直流电源的正极相连，该mos管q3、mos管q4和mos管q6各自的栅极之间分别通过电阻r25、电阻r16、电阻r17和电阻r18连接以形成栅极偏压电路，同时该mos管q6和该电阻r18的另一端连接高压输出口vout；对于该功率输出级电路的高压端的负向放大部分而言，其包含有mos管q7、mos管q9、mos管q10和mos管q12，并且该mos管q12的源级与所述千伏级高压直流电源的负极相连，该mos管q10、mos管q9和mos管q7各自的栅极之间分别通过电阻r15、电阻r14、电阻r13和电阻r12连接以形成栅极偏压电路，同时该mos管q7和该电阻r12的另一端连接高压输出口vout，由此正负合成后形成高压信号放大电路的对称输出，进而实现波形的双极性输出。

更具体进行解释的话，补偿反馈级电路31在本发明中采用了滞后-超前校正，包含前级运放及两个校正系统，功率输出级32采用了四层对称层叠共栅共源结构设计，结构采用并联堆增的方式进行。

如图2具体显示地，补偿反馈级电路31采用一个前级运放lf356为核心，其负极输入端连接r4电阻，r4另一端接地，正极输入端输入信号vi,前级的输出端与负极通过r5相连接，r5两端并联r3和c1，前级运放的正极与功率输出级32输出端通过r2和r6串联连接，r6两端并联r7和c2。相应地，系统通过负反馈网络把输出电压反馈到前级运放的输入端与输入电压叠加，构建误差放大级，稳定输出信号，实施时优选可利用matlabsimlink仿真分析阶跃响应优化超前-滞后校正参数。

同样如图2具体显示地，功率输出级电路32由两级mos级联组成，进行双极性放大，两端分别由正负千伏级高压直流电源vdd供电，在正向放大部分q2和q5采用nmos管，q5源极通过r24与前级输出信号v1相连，漏极通过r23与q2的源级进行连接，q2的漏极通过r22和r21与电源正极连接，q2和q5是两级共栅放大，起电平转换作用，将运放输出平移到高压端q1的栅极。同理，在负向放大部分q8和q11采用pmos管，q8源级通过r19与前级输出信号v1相连，漏极通过r9与q11的源级进行连接，q11的漏极通过r10和r11与电源正极连接，作用类似。q2，q5，q8，q11的栅极分别接固定的偏置电压，稳定mos管的静态工作点。

在高压端，采用了四层对称层叠mos设计，在正向放大部分，q1，q3，q4，q6分别的漏源级相互连接，q1的源级接电源正极，q3，q4，q6栅极之间分别通过r25，r16，r17，r18连接，组成栅极偏压电路，以匹配p和n沟道细微的工作特性，q6和r18的另一端连接输出口vout,负向放大部分类似，q7，q9，q10，q12栅极之间分别通过r12，r13，r14，r15连接，组成栅极偏压电路，正负合成后形成了高压信号放大电路的对称输出，从而实现波形的双极性输出。

相应地，以上高压信号放大电路中由于使用了互补的级联nmos和pmos晶体管做为后级高压放大，该系统采用±对称直流1kv供压，采用mtp2p50e型高压p沟道mosfet的最大漏级-源级标称电压和最大栅极-漏级标称电压优选均为500v。buk456800b型高压n沟道mosfet的最大漏级-源级标称电压和最大栅极-漏级标称电压优选均为800v。这些场效应管一致性很好，非常适合用于高压级联电路。它们对称地串联连接起来，以提高它们适用于电源系统的总击穿电压。按照一个优选实施例，可设置r21、r11为10kω，r22、r10、r8为82kω来匹配共栅放大的静态工作点。调节r8，r19，r24，r20来调节整个功率级放大的增益系数，结合两级放大比，可将增益值调至40db以上从而实现千伏级放大。高压元件耐压留有余量，工作稳定可靠，元器件成本也比较低。

按照本发明的一个优选实施例，对于所述补偿反馈级电路而言，其通过负反馈网络将输出电压反馈至所述前级运放的输入端与输入电压叠加，由此构建误差放大级且稳定输出所述前级输出信号v1；相应地，该前级运放的闭环增益g1优选采用以下公式来计算确定：

其中，t1＝r5c1，t2＝r3c1，参数s表示增益经过拉式变换后得到的复数。

按照本发明的另一优选实施例，对于所述功率输出级电路而言，它最终产生的高压输出信号vq1与所述前级输出信号v1之间优选依照以下表达式进行计算和确定：

其中，vq1为所述mos管q1栅极的电压值，r0＝1/(γid，并且可通过mos管栅源极电压与id的比值求导获得；gm2、gmb2分别表示所述mos管q2的跨导参数，为mos管q2的电路特征值；r02表示所述mos管q2的栅极电压与栅极电流之间的比值；gm5、gmb5分别表示所述mos管q5的跨导参数，是mos管q5的电路特征值；r05表示所述mos管q5的栅极电压与栅极电流之间的比值。

此外，按照本发明的又一优选实施例，对于所述功率输出级电路而言，它的开环增益值g优选采用以下公式进行计算和确定：

g＝av1av2

其中，av1＝vq1/v1并且vq1表示所述mos管q1栅极的电压值，v1表示前级输出电压信号；av2＝gm1(ro3+ro4+ro6)，并且gm1表示mos管q1的跨导参数，为mos管q1的电路特征值，r03表示所述mos管q3的栅极电压与栅极电流之间的比值，r04表示所述mos管q4的栅极电压与栅极电流之间的比值，r06表示所述mos管q6的栅极电压与栅极电流之间的比值。

此外，如图3所示，该多路光继电器模块的输入端用于接收所述多路信号选通控制地址，它的正极输出端分别连接来自所述单路双极性高压信号放大模块输出的多路高压信号，它的负极输出端对应驱动所述负载模块的各个负载，由此起到将数字信号与高压端光电隔离的功能，进而增加整个系统的可靠性和稳定性。

更具体地，在它的输入端，1,3,5引脚分别连接addr总线的多路控制信号，控制端其他引脚连接至系统地。光继电器在数字控制时，可等效为电子开关sw1，sw2，sw3，可通过addr总线分布式控制每一路的高压信号是否开断。三路高压输出端，正极连接从单路双极性高压信号放大模块3输出的三路高压信号hvi1，hvi2，hvi3，负极驱动三路负载。

如图4所示，显示了本发明中多路输出选通负载时的驱动流程。首先，单路高压信号放大器输出负载所需高压；接着，控制addr总线电路，置高相应的引脚，选通相应的开关；接着，对选通的负载进行电压刷新；然后，控制addr总线，关断相应的开关，负载驱动器保持开启状态；最后，重复以上步骤，直至3个负载都被逐个刷新，之后，重新进入下一个电压刷新周期。

综上，本发明所提出的高压信号放大系统通过对该其整个构造布局重新进行了设计，并对多个关键组件如单路双极性高压信号放大模块、多路光继电器模块等的具体结构和相互设置方式进行改进，相应能够充分利用超前-滞后校正使系统的带宽增加，改善了响应速度，且减小超调量，并且波形的稳态精度获得改善；与此同时，能够通过光电耦合有效隔断了器件之间的热传导，放大器可靠性与稳定性大大增加。采用数字控制多路输出的选通，大大提高了整体效率，因而具有较强的应用前景。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。