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高速高压放大器的考虑因素以及容性负载对输出的影响

电压放大器是配合信号源(信号发生器)的理想工具，通过简单的设备连接，可以拓展信号源的输入电压幅度范围。典型的信号源输入范围都是10Vpp，而在MEMS、光电、超声等研究和应用领域，这样的电压幅度往往不能满足要求，因而用到电压放大器。而随着系统、设备处理速度的提高，高压放大器一般都有高速响应特性。

高电压放大器的快速响应特性不仅体现在带宽和压摆率，也与最大输出电流、负载的电容特性等密切相关。本文介绍如何根据用户需求，选择合适的高速高压放大器。

关键词：高压放大器，电压放大器，带宽，压摆率，电容性负载

     主要技术指标：带宽和压摆率

描述高速高电压放大器基本特性的主要指标有：带宽(包括“大信号带宽”和“小信号带宽”)和压摆率。

“大信号带宽”描述的是，在大信号输入条件下，放大器的输出电压幅度随频率变化的关系。当超过某一个频点时，放大器的最大输出电压会迅速下降；输出电压降低到“最大电压的0.707倍”时的频点，就称之为3dB带宽(功率降低3dB)；此外还有一种表示方式，即0.1dB带宽(功率降低0.1dB)，在这个频点的输出电压是“最大电压的0.98倍”(正因为如此，0.1dB带宽也被称之为“满功率带宽”，而3dB带宽被称为“半功率带宽”)。由此可见，0.1dB带宽的数值要小于3dB带宽。

除了大信号带宽之外，还有一种带宽的指标，即“小信号带宽”。顾名思义，小信号带宽是指放大器在小信号条件下，输出电压和频率之间的关系。小信号带宽也可以用3dB带宽和0.1dB带宽两种方式来表示。

明白了带宽的几种表示形式之后，读者就可以根据实验要求，准确的选择所需的放大器型号了。需要注意的是，不同厂家、不同型号描述带宽的方式都各不相同，因此在选择的时候最好与厂家联系，询问指标的具体表示方式。

“阶跃响应”和“压摆率”都是描述放大器响应速度的指标。“阶跃响应”是指放大器输出脉冲从10%上升到90%所需要的时间，单位是秒(通常都在微秒，即10^-6秒量级)；“压摆率”描述输出电压的上升(或下降)速度，即单位时间内输出电压上升(或下降)的幅度，单位是“V/uS”(伏每微秒)。

电容性负载带来的压摆率降低

上述的讨论是假设负载端不会影响放大器的输出，即纯电阻负载(或弱容性负载)。但实际上，电压放大器所驱动的典型负载，例如压电器件、光电传感器甚至同轴电缆等，都是高度容性的器件。

当电压放大器的输出电压达到一定幅度时，输出端所连接的负载(等效电路为电容)两端就施加了相应幅度的电压(等效为电容充电)。如果放大器有输出电流限制(保护)，最大电流不超过IL，此时负载(等效电容)就会以一定的速度进行充电。此时单位时间内的电压上升(下降) 的幅度，即压摆率就表示为SA= IL/C；对于高度容性的负载来说，此时的压摆率比纯电阻负载的压摆率小的多；那么相应的正弦波的带宽也会变小。

典型放大器的等效电路都会包含一个通用运算放大器模型。当放大器输出端连接容性负载时，由于电容的充电效应，输出电压会产生延迟。这就意味着运放的负输入端(-) 的电压也有延迟 ，这时在运放正负输入端就形成了相位差。在特定频点时，运放输入端的相位差会造成输出信号的谐波失真，包括寄生波形、 谐振波形、溢出波形等等。

理论上，当任何放大器接电容性负载时，都会出现特定频率下无法正常工作的情况。为了解决这一问题，可以在放大器的设计电路中增加一个二级放大器，使电容端口与运放的正负端口隔离。

实际测试案例：电压放大器实测数据

接下来，我们结合实际电压放大器的技术指标、测试数据来回顾一下上述介绍的原理。以北京华贺技术有限公司代理的荷兰法科公司高速高电压放大器WMA-300图（1）为例，WMA-300适用于需要高速、高频率的应用，带宽高达5MHz (3dB大信号带宽) ，压摆率可以达到2000V/µs。WMA-300的典型应用是用于MEMS (微机电系统) 驱动或光电传感器驱动，在这些应用领域中，同轴电缆、驱动器件都是典型的电容性负载 (同轴线的典型电容值大约100pF，传感器的典型电容值大约10nF) 。

WMA-300的大信号带宽响应如图（2）所示 (最大输出电压300Vpp) ，由示波器测试得到的压摆率如图（3）。从技术指标和实测数据都能看出，WMA-300可以理想的输出100KHz/300Vpp方波；图（4）是实际测试的图形，可见上升/下降沿的波形都很理想。

而当我们在输出端增加电容性负载之后，输出波形的压摆率逐渐变化，如图（5）。当电容值是150pF时，压摆率保持不变；而当电容值增加到nF量级的时候，压摆率就明显下降，使放大器的工作频率降低。

由于WMA-300采用的改进型的设计，在放大器的设计电路中增加一个二级放大器，使电容端口与运放的正负端口隔离，因此电容稳定性功能(消除谐波失真)，在各个频率下都没有出现明显的谐波。
 

图(1)-北京华贺技术有限公司代理的

荷兰法科公司WMA-300型高速高压放大器

图(2)-WMA-300的大信号带宽
 

图(3) WMA-300的阶跃响应是125ns;压摆率是1920V/µs.

图(4)-在纯电阻负载时,WMA-300输出的300Vpp/100KHz方波
 

图（5）-不同容性的负
载对输出端压摆率的影响

       结论：

在选择高压放大器时，首先需要考虑应用的输出电压、带宽和压摆率；除此之外还要考虑负载的电容性，以及由负载电容性带来的压摆率/带宽下降；最后，要了解放大器的设计，有没有电容稳定性功能(消除谐波失真)。综合考虑上述所有因素，才能选择出一款最合适的放大器。