專利名稱：一種用于靜電支承系統(tǒng)的高壓放大器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于為靜電支承系統(tǒng)提供高電壓的高壓放大器。
背景技術：
靜電懸浮支承技術是目前無接觸懸浮支承系統(tǒng)的主流技術之一，可廣泛應用于靜 電加速度儀等精密測量器件。靜電支承系統(tǒng)采用的是無接觸懸浮方式，消除了摩擦力。轉 子是由金屬材料制作，置于由電極構成的球腔內部，根據檢測的轉子相對于球腔的位移來 控制相應電極上的電壓，通過電極對轉子的靜電吸引力使轉子懸浮在球腔中心。根據施加 在電極上的電壓的種類，可以將支承系統(tǒng)分為交流支承系統(tǒng)和直流支承系統(tǒng)。直流支承系 統(tǒng)相對于交流支承系統(tǒng)具有同頻帶寬、支承剛度大、抗干擾能力等優(yōu)點。文獻《靜電陀螺支承系統(tǒng)集成化研究》尹航，清華大學碩士論文，1996中提到的 采用高壓穩(wěn)壓電壓、線性光耦和高反壓的晶體管組成的直流高壓放大電路是目前實現直流 高壓放大的簡易方案，其直流高壓主要取決與晶體管的耐反壓能力。如圖1所示，這是一 個典型的三極管電壓放大電路，其實現從電流放大到電壓放大主要是由于集電極電阻的作 用，由于集電極電流在集電極電阻上分壓，其輸出才轉化為與輸入電流反相的輸出電壓。由 于是用于靜電支承系統(tǒng)，既要求其輸出電壓能在大范圍內可調，有要求其有一定的負載能 力，這就使得集電極電阻阻值不能取得太大。對于微電子領域，放大電路的輸出電壓非常 低，集電極電阻引起的功率損耗可以不用考慮，但是在高電壓輸出的場合，較小的集電極電 阻引起的能量損耗非常大，因此在儀器的設計中必須要解決這一問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是克服現有高壓支承放大電路在大負載時系統(tǒng)功耗大的缺點，提出 了一種用于靜電支承系統(tǒng)的高壓放大器，使靜電支承系統(tǒng)在大負載的情況下系統(tǒng)損耗依然 控制在可以承受范圍之內。本發(fā)明解決技術問題采用的技術方案為采用一種恒流源來代替線性的集電極電 阻。集電極電阻的功耗可以表示為Pk = U2/R，當集電極電阻上的電壓增大時，其損耗是以 Pe - U2的關系增加，而以恒流源替代集電極電阻以后，其功耗表達式為P。= UI，其損耗是 以P。~ U的關系增加，可見，采用恒流源替代線性的集電極電阻后，其損耗有顯著下降。本發(fā)明用于靜電支承系統(tǒng)的高壓放大器，包括晶體管、發(fā)射極電阻、阻容負載、誤 差放大電路、反饋環(huán)節(jié)和高壓母線，還包括一個代替線性的集電極電阻的恒流源。所述的恒 流源的電流輸入端與高壓母線相連，所述的恒流源的電流輸出端與晶體管的集電極連接， 晶體管的集電極作為高壓放大器的電壓輸出端與阻容負載相連，發(fā)射極電阻一端與晶體管 的發(fā)射極相連，另一端與地線相連，反饋環(huán)節(jié)與晶體管的集電極相連，將輸出電壓反饋至誤 差放大電路的輸入端并與輸入控制電壓Uctrl相比較，將差值放大后接至晶體管的集電極作 為控制電壓。恒流源的核心器件是與主電路晶體管相同型號的晶體管，它的發(fā)射極連接用來控制恒流源電流的電阻，通過一個穩(wěn)壓管為恒流源的晶體管基極提供電壓基準，恒流源的流 出電流就近似被確定為穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值和晶體管基極_發(fā)射極導通壓降的差值與發(fā)射極電 阻的比值。這里之所以稱為近似確定是因為這里忽略掉了流過穩(wěn)壓管的電流值，這可以通 過在穩(wěn)壓管的負極和高壓母線之間連接一個大阻值電阻來實現，這樣流過穩(wěn)壓管的電流便 遠小于流過晶體管發(fā)射極的電流，可以將其忽略不計。本發(fā)明可以大幅度地降低高壓放大器的功耗，避免了直接采用線性電阻作為集電 極電阻帶來的熱耗散過大和供電系統(tǒng)效率低的問題，既增強了系統(tǒng)的魯棒性又簡化了高壓 放大器供電模塊的設計，有利于靜電支承系統(tǒng)的模塊化、集成化和實用化。


圖1為現有技術采用的正高壓放大器電路圖；圖2為本發(fā)明的電路圖；圖中，1、集電極電阻，2、晶體管，3、發(fā)射極電阻，4、阻容負載，5、誤差放大電路，6、 反饋環(huán)節(jié)，7、直流高壓母線，8、等電勢地，9、穩(wěn)壓管，10、限流電阻，11、發(fā)射極電阻，12、晶體管。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施方式
進一步說明本發(fā)明。圖2為本發(fā)明的電路圖。晶體管12的集電極與限流電阻10相連作為恒流源的輸 入端，晶體管12的發(fā)射極與發(fā)射極電阻11連接，晶體管12的基極與穩(wěn)壓管9的負極相連， 同時與限流電阻10的另一端相連接，穩(wěn)壓管9的正極與發(fā)射極電阻11的另一端相連接作 為恒流源的電流輸出端。以穩(wěn)壓管9、限流電阻10、發(fā)射極電阻11和晶體管12組成的恒流 源的電流輸入端與高壓母線7相連，恒流源的電流輸出端與晶體管2的集電極連接，晶體管 2的集電極作為高壓放大器的電壓輸出端與阻容負載4相連，發(fā)射極電阻3 —端與晶體管2 的發(fā)射極相連，另一端與地線8相連，反饋環(huán)節(jié)6與晶體管2的集電極相連，將輸出電壓反 饋至誤差放大電路5的輸入端并與輸入控制電壓Uctrl相比較，將差值放大后接至晶體管2 的集電極作為控制電壓，晶體管2為主電路的核心器件，實現電壓放大的功能。本發(fā)明選用與主電路晶體管2同型號的晶體管12作為恒流源的核心器件，晶體管 12的發(fā)射極接發(fā)射極電阻11，利用穩(wěn)壓管9為發(fā)射極電阻11提供電壓基準UD，限流電阻10 用來限制流過穩(wěn)壓管9的電流。流過發(fā)射極電阻11的電流就可以表示為
I = UD-Ube(!)
R其中Ube為晶體管12的基極_發(fā)射極導通壓降，R為發(fā)射極電阻11的阻值。本發(fā)明是通過設計一個恒流源來替代線性電阻從而達到降低系統(tǒng)功耗的目的，其 工作原理分析如下如果系統(tǒng)要求的最小負載輸出電流為Iz，則直流高壓放大器在輸出最大電壓U_ 時可以確定集電極電阻1的阻值 其中Uh為直流高壓母線7的電壓?，F在考慮直流高壓放大器工作在零電壓輸出狀態(tài)。此時U。ut ^ 0V，集電極電阻1
的功率損耗為 如果系統(tǒng)的集電極電阻1用穩(wěn)壓管9、限流電阻10、發(fā)射極電阻11和晶體管12組 成的恒流源替換，則在直流高壓放大器工作在零電壓輸出狀態(tài)時的功耗可以表示為 由于在系統(tǒng)設計時Umax總是小于且接近于直流高壓母線7的電壓Uh，所以 于是由(4)式確定的恒流源的損耗要遠小于(3)式所確定的損耗。發(fā)射極電阻11通過⑴式和系統(tǒng)最小負載電流Iz來確定
權利要求
一種用于靜電懸浮支承系統(tǒng)的高壓放大器，包括晶體管(2)、發(fā)射極電阻(3)、阻容負載(4)、誤差放大電路(5)、反饋環(huán)節(jié)(6)和高壓母線(7)，其特征在于，還包括一個代替線性的集電極電阻的恒流源；所述的恒流源的電流輸入端與高壓母線(7)相連，所述的恒流源的電流輸出端與晶體管(2)的集電極連接，晶體管(2)的集電極作為高壓放大器的電壓輸出端與阻容負載(4)相連，發(fā)射極電阻(3)一端與晶體管(2)的發(fā)射極相連，另一端與地線(8)相連，反饋環(huán)節(jié)(6)與晶體管(2)的集電極相連，將輸出電壓反饋至誤差放大電路(5)的輸入端并與輸入控制電壓UCtrl相比較，將差值放大后接至晶體管(2)的集電極作為控制電壓。
2.根據權利要求1所說的用于靜電懸浮支承系統(tǒng)的高壓放大器，其特征在于所述的恒 流源中，晶體管12的集電極與限流電阻10相連作為恒流源的輸入端，晶體管12的發(fā)射極 與發(fā)射極電阻11連接，晶體管12的基極與穩(wěn)壓管9的負極相連，同時與限流電阻10的另 一端相連接，穩(wěn)壓管9的正極與發(fā)射極電阻11的另一端相連接作為恒流源的電流輸出端。
全文摘要
一種用于靜電懸浮支承系統(tǒng)的高壓放大器，包括晶體管(2)、發(fā)射極電阻(3)、阻容負載(4)、誤差放大電路(5)、反饋環(huán)節(jié)(6)、高壓母線(7)和一個代替線性的集電極電阻的恒流源。恒流源的電流輸入端與高壓母線(7)相連，電流輸出端與晶體管(2)的集電極連接。晶體管(2)的集電極與阻容負載(4)相連，發(fā)射極電阻(3)一端與晶體管(2)的發(fā)射極相連，另一端與地線(8)相連。反饋環(huán)節(jié)(6)與晶體管(2)的集電極相連，將輸出電壓反饋至誤差放大電路(5)的輸入端并與輸入控制電壓UCtrl相比較，將差值放大后接至晶體管(2)的集電極作為控制電壓。本發(fā)明可降低直流高壓放大器在低電壓輸出狀態(tài)下的損耗。
文檔編號H03F1/02GK101860324SQ20101020038
公開日2010年10月13日 申請日期2010年6月9日 優(yōu)先權日2010年6月9日
發(fā)明者劉建華, 王樂樂, 王秋良, 胡新寧 申請人:中國科學院電工研究所