一种用于静电支承系统的高压放大器技术方案

一种用于静电悬浮支承系统的高压放大器，包括晶体管（２）、发射极电阻（３）、阻容负载（４）、误差放大电路（５）、反馈环节（６）、高压母线（７）和一个代替线性的集电极电阻的恒流源。恒流源的电流输入端与高压母线（７）相连，电流输出端与晶体管（２）的集电极连接。晶体管（２）的集电极与阻容负载（４）相连，发射极电阻（３）一端与晶体管（２）的发射极相连，另一端与地线（８）相连。反馈环节（６）与晶体管（２）的集电极相连，将输出电压反馈至误差放大电路（５）的输入端并与输入控制电压ＵＣｔｒｌ相比较，将差值放大后接至晶体管（２）的集电极作为控制电压。本发明专利技术可降低直流高压放大器在低电压输出状态下的损耗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于为静电支承系统提供高电压的高压放大器。
技术介绍
静电悬浮支承技术是目前无接触悬浮支承系统的主流技术之一，可广泛应用于静 电加速度仪等精密测量器件。静电支承系统采用的是无接触悬浮方式，消除了摩擦力。转 子是由金属材料制作，置于由电极构成的球腔内部，根据检测的转子相对于球腔的位移来 控制相应电极上的电压，通过电极对转子的静电吸引力使转子悬浮在球腔中心。根据施加 在电极上的电压的种类，可以将支承系统分为交流支承系统和直流支承系统。直流支承系 统相对于交流支承系统具有同频带宽、支承刚度大、抗干扰能力等优点。文献《静电陀螺支承系统集成化研究》尹航，清华大学硕士论文，1996中提到的 采用高压稳压电压、线性光耦和高反压的晶体管组成的直流高压放大电路是目前实现直流 高压放大的简易方案，其直流高压主要取决与晶体管的耐反压能力。如图1所示，这是一 个典型的三极管电压放大电路，其实现从电流放大到电压放大主要是由于集电极电阻的作 用，由于集电极电流在集电极电阻上分压，其输出才转化为与输入电流反相的输出电压。由 于是用于静电支承系统，既要求其输出电压能在大范围内可调，有要求其有一定的负载能 力，这就使得集电极电阻阻值不能取得太大。对于微电子领域，放大电路的输出电压非常 低，集电极电阻引起的功率损耗可以不用考虑，但是在高电压输出的场合，较小的集电极电 阻引起的能量损耗非常大，因此在仪器的设计中必须要解决这一问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有高压支承放大电路在大负载时系统功耗大的缺点，提出 了一种用于静电支承系统的高压放大器，使静电支承系统在大负载的情况下系统损耗依然 控制在可以承受范围之内。本专利技术解决技术问题采用的技术方案为采用一种恒流源来代替线性的集电极电 阻。集电极电阻的功耗可以表示为Pk = U2/R，当集电极电阻上的电压增大时，其损耗是以 Pe - U2的关系增加，而以恒流源替代集电极电阻以后，其功耗表达式为P。= UI，其损耗是 以P。~ U的关系增加，可见，采用恒流源替代线性的集电极电阻后，其损耗有显著下降。本专利技术用于静电支承系统的高压放大器，包括晶体管、发射极电阻、阻容负载、误 差放大电路、反馈环节和高压母线，还包括一个代替线性的集电极电阻的恒流源。所述的恒 流源的电流输入端与高压母线相连，所述的恒流源的电流输出端与晶体管的集电极连接， 晶体管的集电极作为高压放大器的电压输出端与阻容负载相连，发射极电阻一端与晶体管 的发射极相连，另一端与地线相连，反馈环节与晶体管的集电极相连，将输出电压反馈至误 差放大电路的输入端并与输入控制电压Uctrl相比较，将差值放大后接至晶体管的集电极作 为控制电压。恒流源的核心器件是与主电路晶体管相同型号的晶体管，它的发射极连接用来控制恒流源电流的电阻，通过一个稳压管为恒流源的晶体管基极提供电压基准，恒流源的流 出电流就近似被确定为稳压管稳压值和晶体管基极_发射极导通压降的差值与发射极电 阻的比值。这里之所以称为近似确定是因为这里忽略掉了流过稳压管的电流值，这可以通 过在稳压管的负极和高压母线之间连接一个大阻值电阻来实现，这样流过稳压管的电流便 远小于流过晶体管发射极的电流，可以将其忽略不计。本专利技术可以大幅度地降低高压放大器的功耗，避免了直接采用线性电阻作为集电 极电阻带来的热耗散过大和供电系统效率低的问题，既增强了系统的鲁棒性又简化了高压 放大器供电模块的设计，有利于静电支承系统的模块化、集成化和实用化。附图说明图1为现有技术采用的正高压放大器电路图；图2为本专利技术的电路图；图中，1、集电极电阻，2、晶体管，3、发射极电阻，4、阻容负载，5、误差放大电路，6、 反馈环节，7、直流高压母线，8、等电势地，9、稳压管，10、限流电阻，11、发射极电阻，12、晶体管。具体实施例方式以下结合附图和具体实施方式进一步说明本专利技术。图2为本专利技术的电路图。晶体管12的集电极与限流电阻10相连作为恒流源的输 入端，晶体管12的发射极与发射极电阻11连接，晶体管12的基极与稳压管9的负极相连， 同时与限流电阻10的另一端相连接，稳压管9的正极与发射极电阻11的另一端相连接作 为恒流源的电流输出端。以稳压管9、限流电阻10、发射极电阻11和晶体管12组成的恒流 源的电流输入端与高压母线7相连，恒流源的电流输出端与晶体管2的集电极连接，晶体管 2的集电极作为高压放大器的电压输出端与阻容负载4相连，发射极电阻3 —端与晶体管2 的发射极相连，另一端与地线8相连，反馈环节6与晶体管2的集电极相连，将输出电压反 馈至误差放大电路5的输入端并与输入控制电压Uctrl相比较，将差值放大后接至晶体管2 的集电极作为控制电压，晶体管2为主电路的核心器件，实现电压放大的功能。本专利技术选用与主电路晶体管2同型号的晶体管12作为恒流源的核心器件，晶体管 12的发射极接发射极电阻11，利用稳压管9为发射极电阻11提供电压基准UD，限流电阻10 用来限制流过稳压管9的电流。流过发射极电阻11的电流就可以表示为I = UD-Ube(!)R其中Ube为晶体管12的基极_发射极导通压降，R为发射极电阻11的阻值。本专利技术是通过设计一个恒流源来替代线性电阻从而达到降低系统功耗的目的，其 工作原理分析如下如果系统要求的最小负载输出电流为Iz，则直流高压放大器在输出最大电压U_ 时可以确定集电极电阻1的阻值 其中Uh为直流高压母线7的电压。现在考虑直流高压放大器工作在零电压输出状态。此时U。ut ^ 0V，集电极电阻1的功率损耗为 如果系统的集电极电阻1用稳压管9、限流电阻10、发射极电阻11和晶体管12组 成的恒流源替换，则在直流高压放大器工作在零电压输出状态时的功耗可以表示为 由于在系统设计时Umax总是小于且接近于直流高压母线7的电压Uh，所以 于是由(4)式确定的恒流源的损耗要远小于(3)式所确定的损耗。发射极电阻11通过⑴式和系统最小负载电流Iz来确定权利要求一种用于静电悬浮支承系统的高压放大器，包括晶体管(2)、发射极电阻(3)、阻容负载(4)、误差放大电路(5)、反馈环节(6)和高压母线(7)，其特征在于，还包括一个代替线性的集电极电阻的恒流源；所述的恒流源的电流输入端与高压母线(7)相连，所述的恒流源的电流输出端与晶体管(2)的集电极连接，晶体管(2)的集电极作为高压放大器的电压输出端与阻容负载(4)相连，发射极电阻(3)一端与晶体管(2)的发射极相连，另一端与地线(8)相连，反馈环节(6)与晶体管(2)的集电极相连，将输出电压反馈至误差放大电路(5)的输入端并与输入控制电压UCtrl相比较，将差值放大后接至晶体管(2)的集电极作为控制电压。2.根据权利要求1所说的用于静电悬浮支承系统的高压放大器，其特征在于所述的恒 流源中，晶体管12的集电极与限流电阻10相连作为恒流源的输入端，晶体管12的发射极 与发射极电阻11连接，晶体管12的基极与稳压管9的负极相连，同时与限流电阻10的另 一端相连接，稳压管9的正极与发射极电阻11的另一端相连接作为恒流源的电流输出端。全文摘要一种用于静电悬浮支承系统的高压放大器，包括晶体管(2)、发射极电阻(3)、阻容负载(4)、误差放大电路(5)、反馈环节(6本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于静电悬浮支承系统的高压放大器，包括晶体管（２）、发射极电阻（３）、阻容负载（４）、误差放大电路（５）、反馈环节（６）和高压母线（７），其特征在于，还包括一个代替线性的集电极电阻的恒流源；所述的恒流源的电流输入端与高压母线（７）相连，所述的恒流源的电流输出端与晶体管（２）的集电极连接，晶体管（２）的集电极作为高压放大器的电压输出端与阻容负载（４）相连，发射极电阻（３）一端与晶体管（２）的发射极相连，另一端与地线（８）相连，反馈环节（６）与晶体管（２）的集电极相连，将输出电压反馈至误差放大电路（５）的输入端并与输入控制电压Ｕ↓［Ｃｔｒｌ］相比较，将差值放大后接至晶体管（２）的集电极作为控制电压。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘建华，王秋良，王乐乐，胡新宁，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]