原创 PB50型高压功率升压放大器及其应用

1 概述
      PB50是美国APEX公司推出的高压型场效应管大功率升压放大器，具有工作电压高(200V)、输出电流大(2A)、高转换速率(50V／μs)、低失真等特点。此外，PB50的限流电路可以将其内部的功率损耗限制在一个和功率晶体管的安全区几乎相同的范围内，良好的导热性可以使其获得较之普通功率晶体管更好的功率特性。

     PB50采用8引脚TO-3铁盒封装，密封性好，且内部相互绝缘，其引脚排列如图l所示。各个引脚的功能如下：
    1脚(0UT)：输出端；
    2脚(CL)：限流反馈输入；
    3脚(+Vs)：正电源；
    4脚(IN)：输入端；
    5脚(COM)：公共接地端；    
    6脚(-Vs)：负电源；
    7脚(GAIN)：增益设置；
    8脚(C0MP)：相位补偿。

2 引脚特性及工作原理
2．1 升压放大器的基本连接
      PB50的内部结构图。由于它是高压大功率放大器，输出电流比较大，因而在设置和使用方面与普通功率放大器有较大差异。

      PB50对电源电压的要求是负电源必须比公共接地端(5脚)低30V，最小工作电压不低于±30V。

      可知，PB50的输入端IN是一个低阻抗输入。典型值是50kΩ。最大安全输入电压范围必须被限制到±15V以下。PB50的典型失调电压是0．75V，因为它有一个共基极的双极输入，所以当选用了前级驱动放大器时，这个失调电压将从前级驱动器的输出范围内减去，例如：一个前级驱动运算放大器的输出电压为20V(峰-峰值)，它的实际输出将是一10．75V和9．25V．这个失调电压对整个电路的失调没有影响．因为它的失调电压已经被前级驱动放大器的开环增益有效地抵消。但是没有前级驱动放大器时，这个失调电压总是存在。并且对整个电路的失调有很大影响。

      公共接地端“COM”为内部输入和反馈提供了一个地参考点，需要注意的是，这个端口通常不能作为反相输入端。

      增益脚“GAIN”允许外接增益电阻器来调节放大器的闭环增益．外接增益电阻器与片内的反馈电阻器串联．闭环增益的计算公式为：
      Av=[（RC+6200）/2100]+1

      频率补偿脚“COMP”允许外接补偿电容器，外接电容器与片内反馈电阻器并联。设计者可以通过补偿电容、外接电阻器和反馈电阻器的值简单计算信号增益极点，从而估计PB50的频率响应。信号增益极点计算公式是：
      FP=1/[2π（RC+6200）/Cc]

      式中，Rc为外部反馈电阻器，Cc外部补偿电容器。

      例如，22PF的外接补偿电容器和6．2kΩ的电阻器并联会在PB50的小信号响应曲线上的1．2MHz处形成一个极点。22kΩ的外接电阻和6．2kΩ的电阻器串联可实现闭环增益10。如果再外接一个22PF的补偿电容器将导致小信号响应曲线在260kHz处开始下降。
 
      PB50的限流脚CL外接一个限流电阻器(RCL），通过输出端的电流负反馈作用来实现限流。限流电阻器的取值范围为O．27Ω~47Ω，在满足电流输出要求的前提下，限流电阻应取得尽量大些。输出电流与限流电阻值之间的关系是：
    +IL=（0.65/RCL）+0.1-IL=0.65/RCL

     综上所述，PB50的外围器件应按照其数据手册上外部连接示意图进行连接。
2．2 复合升压放大器的设计
       当系统对失调电压、漂移或偏置电流有非常严格的要求时．可用一个合适的前级放大器和PB50共同构成闭环结构的高性能、高精度复合放大器。

      在构造复合放大器时，前级驱动器的选取必须考虑如下几个技术参数：增益、稳定性、转换速率和输出失调。

      若要获得最大稳定性．必须遵循下列原则：
      (1)升压放大器应在尽可能低的增益下工作；
      (2)前级驱动放大器应在尽可能高的增益下工作；
      (3)前级驱动器的增益一带宽乘积应比升压放大器的增益一带宽乘积小；
      (4)整个闭环内的相移应尽可能小。

3 典型应用
3．1 可编程电源
      可编程电源要求放大器在高电压和大电流的工作状态下仍具有线性度高、失调电压低和偏置电流小的特性，此外，在某些特定情况下还要求具有快速响应性。高精度可编程电源选择AD707作为前级放大器．它具有很低的失调电压以便在高精度的18位DAC输入下获得最好的工作特性。输出的电阻分压器将输出成比例的降到DAC的满刻度范围内，因为它会影响电路的精度所以必须选择高质量和低温度系数（TC）的电阻器。如果用一个密封电阻网络，那么绝对温度系数不像分压电阻温度系数对电路的影响那么重要。当用一个外部DAC反馈电阻器时，最好使用分压器。用内部的DAC反馈电阻器可以确保DAC本身最好的温度漂移特性，大多数采用外部反馈电阻器的DAC温度漂移可以达到300ppm／℃。

3．2 电磁偏转放大器
       PB50的所有工作特性不仅仅在高电压下才能实现。电磁偏转应用场合要求放大器在它所能提供的电流下有很高的转换速率，虽然这种工作状态下的电压并不高，但是PB50仍可以满足要求。而在以前只有某些昂贵的集成功率放大器才能够同时满足转换速率和增益带宽要求。

      用PB50可以构成电磁偏转放大器电路。该电路通过把偏转线圈放在电流反馈环内强迫线圈电流与输入电压成正比，在这个例子中，反馈电阻器来对升压放大器进行增益补偿。从而提高系统的稳定性。辅助反馈网络补偿高频时电感线圈和电流检测电阻器引起的90°相移。以确保瞬态响应时的稳定性。任何电磁线圈放大器的最快瞬态响应时间取决于其放大器输出电压范围和线圈自身电感。近140V的电压加在200μH的线圈上，最小瞬态响应时间约为2μs，而TL071和PB50组成的电路能提供40V／μs的转换速率．这意味着放大器提供满电压输出需时4μs，最终该电路的瞬态响应时间小于6μs，相当于83kHz的扫描速度。