波形功率放大器 

產(chǎn)品典型應(yīng)用場景 

波形功率放大器是用以對波形發(fā)生器（函數(shù)發(fā)生器、脈沖發(fā)生器和任意波形發(fā)生器等）信號進(jìn)行功率,、電壓或電流放大,，為測試測量應(yīng)用的負(fù)載提供電信號驅(qū)動的儀器。獨立的波形功率放大器包括電壓放大器,、電流放大器和電壓/電流放大器,；此外，還有一種將波形發(fā)生器,、波形功率放大器與直流電源相結(jié)合的獨立分支特色產(chǎn)品，稱為雙極型電源,。

波形功率放大器的典型應(yīng)用包括：

- 壓電轉(zhuǎn)換器（高電壓和高電流）驅(qū)動

- 高頻亥姆霍茲線圈（高電流）驅(qū)動

- MEMS微機電系統(tǒng)（高電壓）驅(qū)動

- 脈沖和瞬態(tài)器件（高功率）驅(qū)動

- 集成電路放大器電源抑制比,、放大器共模抑制比測試

- 二次電源紋波噪聲模擬

- 低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）線路瞬變測試驅(qū)動

      北京華賀技術(shù)有限公司可為客戶提供各類實驗室級別的波形功率放大器產(chǎn)品和應(yīng)用選型、系統(tǒng)集成和服務(wù),。

波形功率放大器原理

波形發(fā)生器的局限性

函數(shù)發(fā)生器,，脈沖發(fā)生器和任意波形發(fā)生器是非常常用的實驗室儀器，通常輸出電壓被限制到約10V,，輸出電阻通常為50歐姆,。盡管現(xiàn)有儀器可提供的波形非常豐富，但其本身的輸入輸出特性在應(yīng)用中存在如下局限性：

1）負(fù)載驅(qū)動電壓電流受限問題

2）容性負(fù)載驅(qū)動高頻失真問題

      3）感性負(fù)載驅(qū)動低頻失真問題

波形功率放大器

波形功率放大器用以解決以上局限性問題,。波形功率放大器通過電壓,、電流放大和阻抗匹配電路，將波形發(fā)生器產(chǎn)生的驅(qū)動信號匹配實際負(fù)載,，達(dá)到理想驅(qū)動效果,。

波形功率放大器中輸入電阻一般匹配為高阻或50Ω，輸出電阻匹配為50Ω或近零值,。電壓輸出范圍高于輸入范圍,，稱為電壓放大器,；電流輸出范圍高于輸入范圍，稱為電流放大器,，電壓電流輸出范圍均高于輸入范圍,，則稱為電壓/電流放大器。

波形功率放大器原理

波形發(fā)生器,、波形功率放大器同直流電源結(jié)合而產(chǎn)生的雙極型電源,，可以工作在四象限模式，實現(xiàn)工作模式的自由切換,，屬于專業(yè)電源類產(chǎn)品,，可設(shè)定工作在恒壓（近零輸出電阻）、恒流（高阻）模式,，信號帶寬DC~150kHz,，可用于電源紋波模擬、四象限電源波形控制,、各種低阻/容性/感性負(fù)載驅(qū)動,，太陽能光伏測試等特殊應(yīng)用場合，應(yīng)用領(lǐng)域更加深入和廣泛,。

實驗室級波形功率放大器產(chǎn)品

典型應(yīng)用案例原理及分析

1.  電容性負(fù)載驅(qū)動：壓電器件（電壓/電流放大器）

壓電陶瓷晶片是一種結(jié)構(gòu)簡單且輕巧的電學(xué)器件,，當(dāng)電壓作用于壓電陶瓷時，就會隨電壓和頻率的變化產(chǎn)生機械變形,；另一方面,，當(dāng)振動壓電陶瓷時，則會產(chǎn)生相應(yīng)電荷,。壓電陶瓷晶片適合機械形變,、振動、次聲波,、聲波和超聲波和次聲波的產(chǎn)生和檢測,，具有靈敏度高，無磁場散播外溢,，不用銅線和磁鐵,，成本低耗電少，便于大量生產(chǎn)等優(yōu)點而獲得了廣泛應(yīng)用,。常見的壓電器件包括：壓電陶瓷片,、壓電傳感器、壓電換能器等,。

當(dāng)壓電器件用于產(chǎn)生形變,、振動、次聲波、聲波和超聲波時,，需要相應(yīng)頻率的電信號驅(qū)動,。壓電器件是典型的容性負(fù)載器件，隨驅(qū)動電信號頻率的升高呈現(xiàn)低阻抗特性,，因而對驅(qū)動源提出了更高的要求,。例如：如果高頻率壓電器件的電容是3.3uF，所要求的驅(qū)動峰值電壓為20V,，頻率為10kHz,，根據(jù)歐姆定律計算，所需的峰值驅(qū)動電流是4.14A,。

依據(jù)前述原理,，我們可以選擇相應(yīng)的波形功率放大器，配合波形發(fā)生器,，完成壓電器件的驅(qū)動,。直接驅(qū)動配置如下圖：

 直接驅(qū)動配置

如果驅(qū)動需要更大電流，我們可以通過并聯(lián)的方式擴(kuò)展測試應(yīng)用,。

并聯(lián)擴(kuò)展波形功率放大器的應(yīng)用

某些壓電器件需要更高偏置電壓才能驅(qū)動,，這時我們可以考慮串聯(lián)一個直流電源的方式來實現(xiàn)。一般而言,，獨立直流電源內(nèi)部都并聯(lián)了一個大電容,，不過為了安全起見，我們還是建議增加一個大電容旁路,。

串聯(lián)獨立直流電源增加偏壓

具體實例：

使用壓電元件進(jìn)行微流量控制的原理是利用壓電片的逆電壓效應(yīng)（即對壓電

片施加一定的驅(qū)動電壓,，可以造成壓電片的形變），產(chǎn)生周期性的形變,，進(jìn)而的控制液體的微流量,。通過實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)驅(qū)動頻率在100‐500Hz時,，壓電片達(dá)到*形驅(qū)動電壓的幅度可以控制液體的微流量。下圖是微流量控制系統(tǒng)的原理框圖,，該系統(tǒng)中使用2340型波形功率放大器,。

2. 電感性負(fù)載驅(qū)動：線圈（電流放大器）

亥姆霍茲線圈，是指如果有一對相同的載流圓線圈彼此平行且共軸,，通以同方向電流,，當(dāng)線圈間距等于線圈半徑時，兩個載流線圈的總磁場在軸的中點附近的范圍內(nèi)是均勻的,。亥姆霍茲線圈主要用途是,，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)磁場；霍爾探頭和各種磁強計的定標(biāo) ；地磁場的補償 ,；磁屏蔽效果的判定 ,；空間輻射磁場的測量和排除 ；物質(zhì)磁特性的研究,；生物磁性的研究等等,。

近年來，驅(qū)動亥姆霍茲線圈產(chǎn)生高頻高場強磁場的應(yīng)用越來越熱門,，在諸如磁場傳感器校準(zhǔn),、生物標(biāo)本磁場照射和免疫研究領(lǐng)域都有強勁需求。

亥姆霍茲線圈可以做成3D的,，其基礎(chǔ)是一維方向的,。下圖為一個一維方向的亥姆霍茲線圈示意圖。

軸的中點附近的磁場計算公式如下：

其高頻電路模型為2個LCR電路：

其中,，Cp1和Cp2為寄生電容,，一般很小，這里忽略簡化,。

      因此,，我們可以按照磁場大小和阻抗，確定驅(qū)動的電流電壓,，選擇相應(yīng)的波形功率放大器,，直接驅(qū)動線圈，這種驅(qū)動方式適用于低頻,。

直接驅(qū)動配置

隨著驅(qū)動電信號頻率的升高,，線圈的阻抗特性呈感性，并隨頻率顯著提升,，≈jwL,，驅(qū)動開始變得困難。例如,，對于200kHz的信號,，即使電感值為2mH，總阻抗高達(dá)2512歐姆,。而強磁場需要維持大電流有效值,，驅(qū)動將變得困難。這時,，可以通過串聯(lián)諧振的方法,，串入一個電容，電容值根據(jù)諧振頻率和線圈電感值確定,。然而,，這樣的電路存在潛在擊穿電容的風(fēng)險。例如，根據(jù)電壓,、電流和阻抗的關(guān)系: 200kHz,，2A的電流，那么電容需要承受2512V的電壓,。

串聯(lián)諧振驅(qū)動配置
      如果需要進(jìn)一步提高（分擔(dān)）電流,，可通過電流放大器諧振法，在電路中再并聯(lián)一個與串聯(lián)諧振電容值相等的電容,，可以使通過線圈的電流有效值加倍,。

                                                          電流放大器諧振法驅(qū)動配置

以上測試配置方法同樣適用于其它感性負(fù)載，如：電機等的驅(qū)動,。

3.  低阻抗驅(qū)動：低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）測試

低壓差線性穩(wěn)壓器是新一代的集成電路穩(wěn)壓器,，它可用于電流主通道控制，芯片上集成了具有極低線上導(dǎo)通電阻的mosfet,，肖特基二極管,、取樣電阻和分壓電阻等硬件電路，并具有過流保護(hù),、過溫保護(hù),、精密基準(zhǔn)源、差分放大器,、延遲器等功能,。低壓差線性穩(wěn)壓器被廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)和消費類電子的二次電源設(shè)計中。

LDO滿載（重載）狀況下的電源電壓抑制比PSRR（又稱為電源紋波抑制）反映了LDO對各種干擾信號的抑制能力,，對于二次電源的外部旁路,、補償電路設(shè)計調(diào)試具有重要參考意義，因而非常有測試的必要,。

傳統(tǒng)的PSRR測試通過網(wǎng)絡(luò)分析儀（例如：Agilent 439）進(jìn)行測試,，測試原理如下圖。由于網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出激勵源的輸出阻抗為50Ω,，不能有效驅(qū)動LDO達(dá)到滿載（重載）,，其測量結(jié)果只能反應(yīng)LDO空載（輕載）狀況下的PSRR，不具備直接參考價值,。

                                                     直接測試法

通過在測試電路中引入波形功率放大器,，可以有效解決網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出阻抗問題，輸出阻抗近乎為0,，可實現(xiàn)對LDO驅(qū)動達(dá)到滿載。這里使用的波形功率放大器需要具有DC直流偏置的功能,，實現(xiàn)LDO驅(qū)動所需的偏置電壓（例如：3.3V）,，通過調(diào)整網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出源的幅度，改變波形功率放大器輸出的交流成分（紋波模擬，例如：峰峰值200mV）,，就可以完成LDO滿載（重載）下的PSRR測試,。需要說明的是：這種測試方法事先需要網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)，保存校準(zhǔn)曲線供測試使用,，校準(zhǔn)連接如下圖,。實測結(jié)果顯示了不同驅(qū)動電流下PSRR測試結(jié)果的差異。

引入波形功率放大器的PSRR測試方法及結(jié)果

同理,，我們還可以將波形功率放大器引入到低壓差線性穩(wěn)壓器的其它測試項目,，例如：線路瞬間電脈沖測試。我們可以通過任意波形發(fā)生器AWG定義LDO的瞬態(tài)突變脈沖,，包括：脈沖寬度,、上升沿、下降沿,，但因為AWG的輸出阻抗特性,，無法直接驅(qū)動LDO。這時就可以利用波形功率放大器實現(xiàn)阻抗匹配,，對LDO進(jìn)行驅(qū)動,，從而利用示波器在輸出端測定LDO線路瞬間轉(zhuǎn)換的過沖、穩(wěn)定時間等參數(shù),，原理如下,。

線路瞬間電脈沖沖擊特性測試定義

線路瞬間電脈沖沖擊特性測試配置