本發(fā)明涉及射頻電源，具體是一種高頻高壓直驅(qū)射頻電源。

背景技術(shù)：

射頻電源作為質(zhì)譜儀的重要組成部件，加載在矩形離子阱、四級桿、多級桿或者離子漏斗上，用于控制離子在矩形離子阱、四級桿、多級桿或者離子漏斗中的運(yùn)動。射頻電源的輸出電壓和工作頻率影響質(zhì)譜儀能檢測物質(zhì)的范圍，其穩(wěn)定性和線性性影響質(zhì)譜儀的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性?，F(xiàn)有的質(zhì)譜儀用射頻電源主要采用線圈諧振的方式來實(shí)現(xiàn)上千伏高壓輸出，電路只能工作于諧振頻率點(diǎn)上，造成頻率參數(shù)無法改變，極大地限制了應(yīng)用方式的靈活性；而且線圈諧振式射頻電源由于負(fù)載是諧振回路的一部分，造成負(fù)載只能輸出正弦波，對共振激發(fā)模式下的rf與ac的耦合造成了很大的阻礙。

為克服線圈諧振式射頻電源的上述缺陷，有人通過集成器件的方案設(shè)計(jì)了頻率在0hz～1mhz范圍內(nèi)可連續(xù)調(diào)節(jié)，雙邊差分輸出電壓0v～600v可調(diào)的直驅(qū)射頻電源，但其所使用的的集成器件成本非常昂貴，需要接近5000元人民幣的芯片成本，并且輸出電壓仍偏低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于通過分立元件建立一種低成本、輸出電壓高的非線圈諧振式直驅(qū)射頻電源，以解決上述現(xiàn)有的直驅(qū)射頻電源所存在的成本高昂、輸出電壓偏低的問題。

本發(fā)明為達(dá)上述目的提出的技術(shù)方案如下：

一種直驅(qū)射頻電源，包括：

信號源，提供兩路相互獨(dú)立且幅度、頻率與相位均可調(diào)的5v以內(nèi)低壓正弦波信號，分別作為rf信號和ac信號；

電壓調(diào)理電路，連接于所述信號源，通過兩個輸入端口分別接收rf信號和ac信號，并分別進(jìn)行差分輸出以獲得rf+、rf-、ac+和ac-四路信號，然后對所述四路信號進(jìn)行以下處理：將rf+信號經(jīng)一反相放大器輸出得到rf+’信號、將rf-信號與ac+信號通過反相加法器進(jìn)行相加得到rf-ac+耦合信號以及將rf-信號與ac-信號通過反相加法器相加得到rf-ac-耦合信號，通過三個輸出端口分別將rf+’信號、rf-ac+耦合信號以及rf-ac-耦合信號輸出；或者對所述四路信號進(jìn)行以下處理：將rf-信號經(jīng)一反相放大器輸出得到rf-’信號、將rf+信號與ac+信號通過反相加法器進(jìn)行相加得到rf+ac+耦合信號以及將rf+與ac-信號通過反相加法器相加得到rf+ac-耦合信號，通過三個輸出端口分別將rf-’信號、rf+ac+耦合信號以及rf+ac-耦合信號輸出；

三個相同的高壓放大電路，各高壓放大電路包括依次連接的差分校正電路、驅(qū)動升壓電路、功率放大電路以及連接于差分校正電路的輸入端和功率放大電路的輸出端之間的反饋電路；三個高壓放大電路分別連接到所述電壓調(diào)理電路的所述三個輸出端口，以對電壓調(diào)理電路的輸出進(jìn)行以下處理：

先通過差分校正電路將電壓調(diào)理電路的輸出與反饋電路的反饋信號進(jìn)行差分比較，比較后的輸出再經(jīng)驅(qū)動升壓電路升壓形成雙邊差分輸出電壓1000v以內(nèi)可調(diào)且頻率900khz以內(nèi)可調(diào)的高壓信號，所述高壓信號再經(jīng)功率放大電路進(jìn)行電流放大后輸出。

本發(fā)明提出的上述技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

1)整個射頻電源的電路結(jié)構(gòu)緊湊，采用分立元件實(shí)現(xiàn)高壓放大電路大大降低了成本，僅需200元的芯片成本；

2)由于不采用線圈耦合方式實(shí)現(xiàn)，減少了能量形式的轉(zhuǎn)換，電路抗干擾能力強(qiáng)；

3)通過采用分立式元件實(shí)現(xiàn)高壓放大電路，使得該射頻電源的線性性高，可以對頻帶內(nèi)不同信號的耦合波形進(jìn)行線性放大，打破了線圈式射頻電源只能輸出正弦信號的局限性，為ac與rf信號在高壓端耦合提供了條件；

4)該射頻電源擁有很寬的通頻帶，900khz以內(nèi)線性可調(diào)，當(dāng)其適用于質(zhì)譜儀時，拓寬了質(zhì)譜儀離子阱上rf信號的工作方式，可以使用固定頻率掃描幅值、跳變頻率掃描幅值、固定幅值掃描頻率等多種質(zhì)量掃描方法；

5)也正是由于采用分立式元件來實(shí)現(xiàn)高壓放大電路，使得該電源可控性好，電壓輸出精度高，輸出信號諧波失真度在1％以內(nèi)，掃描線性度高，輸出調(diào)制波形線性度為99.99％，全功率帶寬900khz，單邊輸出可達(dá)到900khz頻率全功率帶寬輸出500vpp,雙邊差分輸出可達(dá)到1000v且可調(diào)。

更進(jìn)一步地，所述信號源包括依次連接的串口通信電路、單片機(jī)控制電路、dds電路以及帶通濾波電路；通過串口通信電路將上位機(jī)的控制指令寫入單片機(jī)控制電路的單片機(jī)中，并通過單片機(jī)向dds電路的dds芯片中寫入頻率控制字，以使dds電路輸出兩路幅度、頻率與相位均可調(diào)的5v以內(nèi)低壓正弦波信號，并經(jīng)帶通濾波電路進(jìn)行濾波處理后輸出rf信號和ac信號。在本優(yōu)選的方案中，高精度的dds芯片，使得幅度、頻率、相位通過上位機(jī)軟件可直接調(diào)節(jié)，且保證在每個外觸發(fā)周期里，不同通道之間初始相位穩(wěn)定。

更進(jìn)一步地，所述電壓調(diào)理電路包括兩個乘法器，分別將rf信號和ac信號與一調(diào)制信號相乘，獲得調(diào)制后的rf信號和ac信號；并且，每個乘法器的輸出端同時連接有一個反相放大器和一個同相放大器，反相放大器和同相放大器用于對調(diào)制后的rf信號和ac信號分別進(jìn)行差分輸出，從而獲得所述四路信號。

更進(jìn)一步地，所述驅(qū)動升壓電路通過nmos場效應(yīng)管的共源極放大電路實(shí)現(xiàn)升壓。

更進(jìn)一步地，所述功率放大電路通過nmos場效應(yīng)管的源極跟隨電路，同時實(shí)現(xiàn)阻抗變換與功率放大。

更進(jìn)一步地，所述差分校正電路為集成低壓運(yùn)算放大器。集成運(yùn)算放大器具有良好的驅(qū)動能力，轉(zhuǎn)換速率快，增益帶寬積大，利于改善波形失真。

更進(jìn)一步地，所述反饋電路通過比例電阻獲取開環(huán)放大輸出的反饋信號，并將所述反饋信號作為所述差分校正電路的其中一個輸入信號，以使所述高壓放大電路具有穩(wěn)定的閉環(huán)放大倍數(shù)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明具體實(shí)施例的一種直驅(qū)射頻電源的原理框圖；

圖2是本發(fā)明具體實(shí)施例的直驅(qū)射頻電源的信號源的原理框圖；

圖3是本發(fā)明具體實(shí)施例的直驅(qū)射頻電源的電壓調(diào)理電路的結(jié)構(gòu)圖；

圖4是本發(fā)明具體實(shí)施例的直驅(qū)射頻電源的高壓放大電路的結(jié)構(gòu)圖；

圖5是本發(fā)明具體實(shí)施例的直驅(qū)射頻電源應(yīng)用于離子阱的連接示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

本發(fā)明的具體實(shí)施方式提供一種直驅(qū)射頻電源，如圖1所示，該射頻電源包括依次連接的信號源、電壓調(diào)理電路以及三個并行的高壓放大電路，射頻電源的輸出連接至一負(fù)載，以給負(fù)載提供所需的直驅(qū)射頻電源。其中，信號源提供兩路相互獨(dú)立且幅度、頻率與相位均可調(diào)的5v以內(nèi)低壓正弦波信號，分別作為rf信號和ac信號，參考圖2，在一種具體的實(shí)施例中，信號源包括依次連接的串口通信電路、單片機(jī)控制電路、dds電路以及帶通濾波電路；通過串口通信電路將上位機(jī)的控制指令寫入單片機(jī)控制電路的單片機(jī)中，并通過單片機(jī)向dds電路的dds芯片中寫入頻率控制字，以使dds電路輸出兩路幅度、頻率與相位均可調(diào)的5v以內(nèi)低壓正弦波信號rf和ac，并經(jīng)帶通濾波電路進(jìn)行濾波處理后輸出rf信號和ac信號。

如圖1所示，電壓調(diào)理電路連接于信號源，通過兩個輸入端口(圖1、2中帶箭頭的線條僅代表電路之間具有信號傳輸關(guān)系，并不包含對數(shù)據(jù)線路的條數(shù)的限制)分別接收rf信號和ac信號，并分別進(jìn)行差分輸出以獲得rf+、rf-、ac+和ac-四路信號，然后對所述四路信號進(jìn)行以下處理：將rf+信號經(jīng)一反相放大器輸出得到rf+’信號、將rf-信號與ac+信號通過反相加法器進(jìn)行相加得到rf-ac+耦合信號以及將rf-信號與ac-信號通過反相加法器相加得到rf-ac-耦合信號，通過三個輸出端口分別將rf+’信號、rf-ac+耦合信號以及rf-ac-耦合信號輸出；或者對所述四路信號進(jìn)行以下處理：將rf-信號經(jīng)一反相放大器輸出得到rf-’信號、將rf+信號與ac+信號通過反相加法器進(jìn)行相加得到rf+ac+耦合信號以及將rf+與ac-信號通過反相加法器相加得到rf+ac-耦合信號，通過三個輸出端口分別將rf-’信號、rf+ac+耦合信號以及rf+ac-耦合信號輸出。

在一種優(yōu)選的實(shí)施例中，電壓調(diào)理電路采用如圖3所示的電路來實(shí)現(xiàn)，如圖3所示，電壓調(diào)理電路包括兩個乘法器11和12，分別將rf信號和ac信號與調(diào)制信號21、22相乘，獲得調(diào)制后的rf信號和ac信號；并且，每個乘法器的輸出端同時連接有一個反相放大器和一個同相放大器(乘法器11的輸出端連接有反相放大器31和同相放大器32；乘法器21的輸出端連接有反相放大器41和同相放大器42)，反相放大器和同相放大器用于對調(diào)制后的rf信號和ac信號分別進(jìn)行差分輸出，從而獲得四路信號rf+、rf-、ac+和ac-。

需要說明，在rf和ac之后的“+”和“-”并不代表電源的正負(fù)，只是用于區(qū)分不同的信號，因?yàn)閞f和ac本就是交流信號(正弦信號)，不存在正負(fù)之分。

在一種具體的實(shí)施例中，如圖3所示，調(diào)制后的rf信號經(jīng)過反相放大器31和同相放大器32后分別得到rf-和rf+，調(diào)制后的ac信號經(jīng)過反相放大器41和同相放大器42后分別得到ac-和ac+，將rf-直接經(jīng)由反相放大器50輸出得到rf+’，將rf+信號與ac-信號通過反相加法器51進(jìn)行相加得到rf-ac+耦合信號，將rf+信號與ac+信號通過反相加法器52相加得到rf-ac-耦合信號，從而信號源產(chǎn)生的rf和ac信號經(jīng)電壓調(diào)理電路后得到rf+’信號、rf-ac+耦合信號以及rf-ac-耦合信號，通過三個輸出端口輸出至高壓放大電路?；蛘?，也可以將rf+直接經(jīng)由反相放大器50輸出得到rf-’，將rf-信號與ac-信號通過反相加法器51進(jìn)行相加得到rf+ac+耦合信號，將rf-信號與ac+信號通過反相加法器52相加得到rf+ac-耦合信號，從而信號源產(chǎn)生的rf和ac信號經(jīng)電壓調(diào)理電路后得到rf-’信號、rf+ac+耦合信號以及rf+ac-耦合信號。

三個高壓放大電路，分別接收電壓調(diào)理電路三個輸出端口的信號并進(jìn)行處理。如圖4所示，各高壓放大電路包括依次連接的差分校正電路1、驅(qū)動升壓電路3、功率放大電路4以及連接于差分校正電路1的輸入端和功率放大電路4的輸出端之間的反饋電路2；三個高壓放大電路分別連接到所述電壓調(diào)理電路的所述三個輸出端口，以對電壓調(diào)理電路的輸出進(jìn)行以下處理：

先通過差分校正電路1將電壓調(diào)理電路的輸出與反饋電路2的反饋信號進(jìn)行差分比較，比較后的輸出再經(jīng)驅(qū)動升壓電路3升壓形成雙邊差分輸出電壓1000v以內(nèi)可調(diào)且頻率900khz以內(nèi)可調(diào)的高壓信號，所述高壓信號再經(jīng)功率放大電路4進(jìn)行電流放大后輸出至一負(fù)載。此處的負(fù)載例如是質(zhì)譜儀的離子阱。

在一種具體的實(shí)施例中，如圖4所示，差分校正電路1可采用集成低壓運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)；驅(qū)動升壓電路3通過nmos場效應(yīng)管的共源極放大電路實(shí)現(xiàn)升壓；功率放大電路4通過nmos場效應(yīng)管的源極跟隨電路，同時實(shí)現(xiàn)阻抗變換與功率放大；反饋電路2通過比例電阻獲取開環(huán)放大輸出的反饋信號，并將所述反饋信號作為所述差分校正電路的其中一個輸入信號，以使所述高壓放大電路具有穩(wěn)定的閉環(huán)放大倍數(shù)。高壓放大電路的結(jié)構(gòu)如圖4所示，運(yùn)算放大器100的輸出端通過一電容器c1連接至nmos場效應(yīng)管q1的柵極，并通過電阻r1～r5按照如圖4中的連接方式連接形成驅(qū)動升壓電路3；另一nmos場效應(yīng)管q2的柵極連接于q1的漏極、漏極通過r4連接至q1的漏極、源極通過電阻r6、r5連接至q1的源極，高壓放大電路的最終輸出從q2的源極經(jīng)由一電容器c2輸出至負(fù)載。同時，反饋電路通過采用一比例電阻從高壓放大電路的輸出端衰減取出5v以內(nèi)的小信號，作為差分校正電路的一個輸入信號，使整個高壓放大電路形成閉環(huán)反饋系統(tǒng)，具有穩(wěn)定的電壓放大倍數(shù)，提高了控制精度。

本發(fā)明提供的前述直驅(qū)射頻電源，能夠提供雙邊差分輸出電壓1000v以內(nèi)可調(diào)且頻率900khz以內(nèi)可調(diào)的高壓信號供負(fù)載使用。當(dāng)該直驅(qū)射頻電源用于一質(zhì)譜儀時，其與離子阱的連接方式如圖5所示，其中信號s1表示信號rf-’或信號rf+’經(jīng)過高壓放大電路處理后的輸出，信號s2表示rf+ac-耦合信號或rf-ac+耦合信號經(jīng)過高壓放大電路處理后的輸出，信號s3表示rf+ac+耦合信號或rf-ac-耦合信號經(jīng)過高壓放大電路處理后的輸出。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干等同替代或明顯變型，而且性能或用途相同，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。