驅動放大電路以及包括該電路的方波脈沖產生裝置制造方法
【專利摘要】一種驅動放大電路，包括：用于放大來自信號輸入端(IN1)的輸入信號的主運算放大器(U3)，用于生成偏置電流的偏置電流單元(U501)，偏置電流單元(U501)包括第一運算放大器(U1)，第一運算放大器(U1)的輸出端連接到所述主運算放大器(U3)的第一輸入端，第一輸入端連接到所述信號輸入端(IN1)；基于來自偏置信號輸入端(IN2)的偏置信號生成偏置電壓的偏置電壓單元(U502)，偏置電壓單元(U502)包括第二運算放大器(U2)，第二運算放大器(U2)的輸出端連接到所述主運算放大器(U3)的第二輸入端。本實用新型還提供一種包括如上所述的驅動放大電路的方波脈沖產生裝置，其能夠產生大電壓、大電流，同時具備快速邊沿的方波源。
【專利說明】驅動放大電路以及包括該電路的方波脈沖產生裝置

【技術領域】
[0001 ] 本實用新型涉及放大電路和脈沖產生電路。

【背景技術】
[0002]分立器件被廣泛應用到消費電子、計算機及外設、網(wǎng)絡通信，汽車電子、led顯示屏等領域。分立器件包括:半導體二極管、半導體三極管、特種器件及傳感器；敏感器件等。
[0003]分立器件的時間參數(shù)是其重要的器件參數(shù)，會實質性影響分立器件的使用。因此，當前需要一種對時間參數(shù)進行測試的測試設備或電路。但是，當前的分立器件的測量設備有的不具備對時間參數(shù)的測量，有的即使能夠對時間參數(shù)進行測量，但是在測量中的重要激勵源，即方波脈沖源的品質不高。激勵源對分立器件的測試非常重要，否則不能進行時間參數(shù)的測量。而當前的激勵源的品質不高，也就是方波脈沖源產生的方波脈沖邊緣比較平滑，而不是快速邊沿方波。
實用新型內容
[0004]針對現(xiàn)有技術存在的問題，本實用新型提出一種驅動放大電路，包括:
[0005]用于放大來自信號輸入端的輸入信號的主運算放大器；
[0006]用于生成偏置電流的偏置電流單元，偏置電流單元包括第一運算放大器，第一運算放大器的輸出端連接到所述主運算放大器的第一輸入端，第一輸入端連接到所述信號輸入端;
[0007]基于來自偏置信號輸入端的偏置信號生成偏置電壓的偏置電壓單元，偏置電壓單元包括第二運算放大器，第二運算放大器的輸出端連接到所述主運算放大器的第二輸入端。
[0008]進一步，所述第一輸入端為正輸入端，所述第二輸入端為負輸入端，所述第一輸入端連接到所述信號輸入端；第一運算放大器為反轉運算放大器，其正輸入端接地，負輸入端連接到所述第一輸入端；第二運算放大器為非反轉運算放大器，其正輸入端接地，負輸入端連接到偏置信號輸入端。
[0009]進一步，主運算放大器的正輸入端通過第一電阻連接到信號輸入端，負輸入端通過第二電阻連接到主運算放大器的輸出端，該負輸入端還連接到第一運算放大器的負輸入端；第一運算放大器的負輸入端連接到主運算放大器的正輸入端，并通過第一偏置電阻連接到第一運算放大器的輸出端；第二運算放大器的正輸入端接地，負輸入端通過第二偏置電阻連接到偏置信號輸入端，還通過第三偏置電阻連接到信號輸入端，以及通過第四偏置電阻連接到主運算放大器的輸出端。
[0010]進一步，所述主運算放大器包括一正輸入電路，所述正輸入電路包括:進行初級放大的第一三極管，其基極連接電源，發(fā)射極連接到信號輸入端；第一導通截止電路，該第一導通截止電路包括第二三極管、第三三極管以及補償電容，其中，第二三極管的基極經(jīng)過一RC電路連接到第一三極管的集電極，第二三極管的基極經(jīng)過補償電容連接到第三三極管的集電極，第二三極管的集電極和第三三極管的發(fā)射極接電源，其中所述RC電路并聯(lián)有二極管，該二極管的陰極連接到第二三極管的基極，陽極連接到第一三極管的集電極。
[0011]進一步，所述主運算放大器還包括:電流驅動電路，其包括第四三極管、第五三極管和第六三極管，其中，第四三極管、第五三極管和第六三極管的集電極均接電源；第四三極管的基極連接到第三三極管的集電極，第四三極管的發(fā)射極連接到第五三極管的基極和第六三極管的基極；第五三極管和第六三極管的發(fā)射極連接到一起作為信號驅動放大電路的輸出端。
[0012]進一步，所述主運算放大器還包括:用于調節(jié)所述電流驅動電路的輸出電流的調節(jié)三極管，其中，調節(jié)三極管的基極通過一可調電阻連接到第三三極管的集電極，調節(jié)三極管的基極和發(fā)射極之間連接有一電阻，調節(jié)三極管的集電極連接到第四三極管的基極，調節(jié)三極管的發(fā)射極和集電極之間連接有一電容。
[0013]進一步，所述主運算放大器包括與所述正輸入電路對稱設置的負輸入電路，所述負輸入電路包括:進行初級放大的第一對稱三極管，其基極連接電源，發(fā)射極連接到信號輸入端；第二導通截止電路，該第二導通截止電路包括第二對稱三極管、第三對稱三極管以及對稱補償電容，其中，第二對稱三極管的基極經(jīng)過經(jīng)過又一 RC電路連接到第一對稱三極管的集電極，第二對稱三極管的基極經(jīng)過補償電容連接到第三對稱三極管的集電極，第二對稱三極管的集電極和第三對稱三極管的發(fā)射極接電源，其中所述又一 RC振蕩電路并聯(lián)有二極管，該二極管的陽極連接到第二對稱三極管的基極，陰極連接到第一對稱三極管的集電極。
[0014]進一步,偏置電流單元還包括第一偏置三極管和第二偏置三極管,第一偏置三極管和第二偏置三極管的發(fā)射極連接到一起，第一偏置三極管的基極和發(fā)射極之間連接有電阻；所述第一運算放大器的輸出端、第一偏置三極管的基極和第二偏置三極管的基極連接到一起，第一偏置三極管的集電極連接電源，第二偏置三極管的集電極接地。
[0015]本實用新型還提出一種方波脈沖產生裝置，包括:如前所述的驅動放大電路；脈沖生成電路，該脈沖生成電路包括用于產生波形的模數(shù)轉換器和用于控制所述波形的幅值、寬度和/或頻率的數(shù)字控制器，數(shù)字控制器連接到模數(shù)轉換器，所述模數(shù)轉換器的輸出端作為信號輸入端，連接到所述主運算放大器的第一輸入端。
[0016]進一步，所述數(shù)字控制器為CYCLONE EP1C6，所述模數(shù)轉換器為THS5651A，前述三極管選自快速三極管2N4209、2N2369、2N5160和2N3886中的一種或多種。
[0017]本實用新型的驅動放大電路除了放大輸入信號，還能夠使得輸入信號電流偏置和電壓偏置。
[0018]本實用新型的方波脈沖產生裝置產生的方波脈沖的邊沿達到ns級別。驅動電流能力可以大大提高，并且脈沖方波可以進行電流偏置和電壓偏置。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本實用新型的方波脈沖產生裝置的電路原理圖；
[0020]圖2為圖1中的驅動放大電路的電路原理圖；
[0021]圖3為圖2中的主運算放大器的一個實施方式的電路圖；
[0022]圖4為圖2中的主運算放大器的又一個實施方式的電路圖；
[0023]圖5為圖2的驅動放大電路的一個實施方式的電路圖。

【具體實施方式】
[0024]根據(jù)本實用新型的第一個方面，提出一種方波脈沖產生裝置，其原理圖如圖1所
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[0025]在一個實施方式中，所述方波脈沖產生裝置包括脈沖生成電路和驅動放大電路。
[0026]脈沖生成電路包括數(shù)字控制器和模數(shù)轉換器。模數(shù)轉換器產生波形，數(shù)字控制器可以控制模數(shù)轉換器，以輸出特定幅值、寬度和頻率的脈沖。數(shù)字控制器例如可以是FPGA、DSP或者單片機。
[0027]方波脈沖電路除了用數(shù)字控制器和模數(shù)轉換器實現(xiàn)，還可以采用數(shù)字控制器和DDS集成芯片實現(xiàn)，DDS集成芯片例如為ANALOG公司的AD9954、AD9837等。DDS集成芯片集成了相位累加器、波形ROM、D/A轉換器和低通濾波器。
[0028]但是，脈沖生成電路產生的方波的邊沿和電壓幅度通常不能直接用作方波脈沖源，來進行分立器件的時間參數(shù)測量。因為一般地，脈沖生成電路產生的脈沖方波最大電壓幅度為IV,最大電流為20mA，無法作為驅動使用，必須對其進放大和擴流。
[0029]因此，本實用新型的方波脈沖產生裝置還包括驅動放大電路。驅動放大電路對所述模數(shù)轉換器輸出的方波進行放大。
[0030]圖2顯示了圖1中的驅動放大電路的一個實施方式的電路原理圖。在該實施方式中，以對驅動放大電路進行零點偏置電壓和偏置電流設置。
[0031]該驅動放大電路包括主運算放大器U3，主運算放大器U3主要用于對輸入脈沖進行放大，運算放大器Ul(優(yōu)選地，為電壓型的)提供主運算放大器U3的偏置電流，通過運算放大器U2 (優(yōu)選地，為電壓型的)提供主運算放大器U3的偏置電壓。
[0032]主運算放大器U3的正輸入端(第一輸入端)通過第一電阻Rin連接到信號輸入端INl,信號輸入端INl輸入如上所述脈沖生成電路輸出的方波脈沖。主運算放大器U3的正輸入端還通過第二電阻Rfb連接到主運算放大器U3的輸出端。
[0033]主運算放大器U3的正輸入端還連接有一反轉放大器(第一運算放大器Ul)。第一運算放大器Ul的正輸入端接地，負輸入端連接到主運算放大器U3的正輸入端，輸出端通過第一偏置電阻Re連接到主運算放大器U3的正輸入端。
[0034]主運算放大器U3的負輸入端(負輸入端)連接有第二運算放大器U2。具體地，第二運算放大器U2的正輸入端接地，負輸入端通過第二偏置電阻Roffs連接到偏置信號輸入端IN2，第二運算放大器U2的輸出端連接到主運算放大器U3的負輸入端。
[0035]此外，第二運算放大器U2的負輸入端通過第三偏置電阻(其阻值為第一電阻Rin的C倍)連接到信號輸入端INl，通過第四偏置電阻(其阻值為第二電阻Rfb的C倍)連接到主運算放大器U3的輸出端，通過第二偏置電阻Roffs連接到偏置信號輸入端IN2。
[0036]通過調節(jié)偏置輸入點的電壓就可實現(xiàn)對輸出脈沖的移位控制，從而將脈沖模塊輸出的正脈沖轉換為負脈沖或者正負脈沖。相比于一般的運算放大器工作電壓普遍為± 15V，本實用新型的運算放大器U3的工作電壓為±24V。該驅動放大電路的放大倍數(shù)Gain =Rfb/Rin。
[0037]圖3顯示了圖2中的主運算放大器U3(驅動放大電路)的一個實施方式的電路圖。在該驅動放大電路中，其主要設計思路在于，進行電容補償同時方波脈沖信號上升沿和下降沿的邊沿時間縮短。進一步，還可以使輸出方波放大并擴流。其中，該驅動放大電路中的器件可以采用快速三極管2N4209、2N2369、2N5160和2N3886中的一種或多種，但本實用新型不限于此。
[0038]所述驅動放大電路包括三極管Q501 (第一三極管)，三極管Q501構建初級放大電路。三極管Q501的基極接地，發(fā)射極通過電阻R518連接輸入脈沖TP1，TPl連接到上述脈沖生成電路的輸出端。
[0039]所述驅動放大電路還包括快速導通截止電路，其能夠讓輸入電壓快速翻轉。該導通截止電路主要由三極管Q503(第二三極管)、Q505(第三三極管)，以及補償電容C531和C529組成。
[0040]三極管Q503的基極經(jīng)過RC電路(R525、C512)連接到三極管Q501的集電極，其中該人C電路還并聯(lián)有二極管IN5242B，二極管IN5242B的陽極連接到三極管Q503的基極，陰極連接到三極管Q501的集電極。三極管Q503的基極經(jīng)過串聯(lián)的補償電容C531和C529連接到三極管Q505的集電極。三極管Q503的集電極和三極管Q505的發(fā)射極接電源。補償電容C531、C529使得三極管Q503迅速導通或截止，電容C529、C531還能夠消除電路振蕩和毛刺。
[0041]該驅動放大電路能夠使得脈沖沿迅速跳轉的原因為，當TPl輸入方波脈沖時，由于二極管IN5242B的存在，電阻R525兩端電壓維持在恒定的電壓值，因此電流也恒定，因此三極管Q503在正電壓時候，一直處于開啟狀態(tài)。三極管Q503和Q505構建快速放大和截止電路，讓輸入電壓快速翻轉。
[0042]具體地，在輸入端TPl輸入一個方波信號Ui，當輸入信號TPl的電壓Ui從OV跳變到高電平時，由于電容C531、C529兩端的電壓不能突變，加到三極管Q503集電極的電壓為一個尖頂脈沖，其電壓幅值最大，這一尖頂脈沖加到第二三極管Q503基極電流迅速從OA增大到很大，這樣三極管Q503迅速從截止狀態(tài)進入飽和狀態(tài)，加速了三極管Q503的飽和導通，即縮短了三極管Q503飽和導通時間。同樣道理，當輸入信號TPl的電壓Ui從高電平跳變到OV時，由于電容C531和C529兩端的電壓不能突變，加到三極管Q503集電極的電壓為一個負尖頂脈沖，加快了三極管Q503從基極抽取電荷的過程，三極管Q503以更快的時間從飽和狀態(tài)進入截止狀態(tài)，即縮短了三極管Q503從飽和導通到截至時間，從而實現(xiàn)了波形快速穩(wěn)定，方波脈沖信號上升沿和下降沿的邊沿時間縮短。
[0043]優(yōu)選地，所述驅動放大電路還可以包括由三極管Q508(第四三極管)、Q510(第五三極管)和Q512(第六三極管)構建的大電流驅動電路。其中，
[0044]更優(yōu)選地，采用三極管Q507來調節(jié)該大電流驅動電路的驅動能力。
[0045]同理，可以同時構建正電壓電路和負電壓電路，負電壓電路與如上所述的正電壓電路原理相同，電路對稱。其一個實施方式的電路圖如圖4所示。對于下半部分表示的負電壓輸入電路，三極管Q502(第一對稱三極管)構建初級放大電路。三極管Q504(第二對稱三極管)的基極經(jīng)過經(jīng)過一 RC振蕩電路(R526、C513)連接到三極管Q502的集電極。補償電容C528和C530消除電路振蕩和毛刺。由于二極管IN5242B的存在，電阻R526兩端電壓維持在恒定的電壓值，因此電流也恒定，因此三極管Q504在負電壓時候，一直處于開啟狀態(tài)，三極管Q504和Q506 (第三對稱三極管)構建快速放大和截止電路，讓輸入電壓快速翻轉。另外，三極管Q509、Q511和Q513構建大電流驅動電路。
[0046]圖5顯示了與圖2對應的一個電路圖。偏置電流單元對應于圖2中運算放大器Ul，偏置電壓單元對應于圖2中的運算放大器U2。
[0047]偏置電流單元U501主要提供整個放大的電路偏置電流作用，其中三極管Q514(第一偏置三極管)、Q515(第二偏置三極管)主要提供微小電流的作用。其中，三極管Q514的發(fā)射極和Q515的發(fā)射極連接到一起，第一運算放大器的輸出端、三極管Q514的基極和Q515的基極連接到一起，并通過一電阻(R552)連接到三極管Q514的發(fā)射極和Q515的發(fā)射極，三極管Q514的集電極連接電源，三極管Q515的集電極接地。偏置電壓單元U502主要提供整個放大的電路偏置電壓作用。
[0048]在方波脈沖產生裝置的一個示例中，該方波脈沖產生裝置包括圖4所示的驅動放大電路。其中，脈沖生成電路的數(shù)字控制器采用Altera公司的CYCL0NEEP1C6，模數(shù)轉換器采用TI公司的THS5651A。其主要特點為:高速電流型DA ；10位的分辨率；數(shù)據(jù)更新速率高達125MSPS ；3V和5V的CMOS兼容的數(shù)字接口 ；其輸出的模擬電流邊沿可達Ins。在該實施方式中，脈沖生成電路產生邊沿小于5ns，電壓幅度為IV的方波脈沖。
[0049]THS5651A輸出的方波脈沖信號經(jīng)過驅動放大電路，方波脈沖信號的上升沿和下降沿的邊沿時間控制為1ns以下，零點可以平移16Vpp的方波信號，驅動能力達到1A。優(yōu)選地，如果采用多層板和特殊材料，脈沖邊沿可以在InS左右。
[0050]本實用新型能夠產生大電壓、大電流，同時具備快速邊沿的方波源。
[0051]以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本實用新型的精神與范疇，而對其進行的等效修改或變更，均應包括于本實用新型的權利要求書要求保護的范圍中。
【權利要求】
1.一種驅動放大電路，其特征在于，包括: 用于放大來自信號輸入端(INl)的輸入信號的主運算放大器(U3)； 用于生成偏置電流的偏置電流單元(U501)，偏置電流單元(U501)包括第一運算放大器(Ul)，第一運算放大器(Ul)的輸出端連接到所述主運算放大器(U3)的第一輸入端，第一輸入端連接到所述信號輸入端(INl)； 基于來自偏置信號輸入端(IN2)的偏置信號生成偏置電壓的偏置電壓單元(U502)，偏置電壓單元(U502)包括第二運算放大器(U2)，第二運算放大器(U2)的輸出端連接到所述主運算放大器(U3)的第二輸入端。
2.根據(jù)權利要求1所述的驅動放大電路，其特征在于， 所述第一輸入端為正輸入端，所述第二輸入端為負輸入端，所述第一輸入端連接到所述信號輸入端(INl)； 第一運算放大器(Ul)為反轉運算放大器，其正輸入端接地，負輸入端連接到所述第一輸入端； 第二運算放大器(U2)為非反轉運算放大器，其正輸入端接地，負輸入端連接到偏置信號輸入端(IN2)。
3.根據(jù)權利要求2所述的驅動放大電路，其特征在于， 主運算放大器(U3)的正輸入端通過第一電阻(Rin)連接到信號輸入端(INl)，負輸入端通過第二電阻(Rfb)連接到主運算放大器(U3)的輸出端，該負輸入端還連接到第一運算放大器(Ul)的負輸入端； 第一運算放大器(Ul)的負輸入端連接到主運算放大器(U3)的正輸入端，并通過第一偏置電阻(Re)連接到第一運算放大器(Ul)的輸出端； 第二運算放大器(U2)的正輸入端接地，負輸入端通過第二偏置電阻(Roffs)連接到偏置信號輸入端(IN2)，還通過第三偏置電阻連接到信號輸入端(INl)，以及通過第四偏置電阻連接到主運算放大器(U3)的輸出端。
4.根據(jù)權利要求1所述的驅動放大電路，其特征在于，所述主運算放大器(U3)包括一正輸入電路，所述正輸入電路包括: 進行初級放大的第一三極管(Q501)，其基極連接電源，發(fā)射極連接到信號輸入端(INl)； 第一導通截止電路，該第一導通截止電路包括第二三極管(Q503)、第三三極管(Q505)以及補償電容(C531、C529)； 其中，第二三極管(Q503)的基極經(jīng)過一 RC電路(R525、C512)連接到第一三極管(Q501)的集電極，第二三極管(Q503)的基極經(jīng)過補償電容(C531、C529)連接到第三三極管(Q505)的集電極，第二三極管(Q503)的集電極和第三三極管(Q505)的發(fā)射極接電源，其中所述RC振蕩電路并聯(lián)有二極管(IN5242B)，該二極管(IN5242B)的陰極連接到第二三極管(Q503)的基極，陽極連接到第一三極管(Q501)的集電極。
5.根據(jù)權利要求4所述的驅動放大電路，其特征在于，所述主運算放大器(U3)還包括:電流驅動電路，其包括第四三極管(Q508)、第五三極管(Q510)和第六三極管(Q512)； 其中，第四三極管(Q508)、第五三極管(Q510)和第六三極管(Q512)的集電極均接電源； 第四三極管(Q508)的基極連接到第三三極管(Q505)的集電極，第四三極管(Q508)的發(fā)射極連接到第五三極管(Q510)的基極和第六三極管(Q512)的基極； 第五三極管(Q510)和第六三極管(Q512)的發(fā)射極連接到一起作為信號驅動放大電路的輸出端。
6.根據(jù)權利要求5所述的驅動放大電路，其特征在于，所述主運算放大器(U3)還包括: 用于調節(jié)所述電流驅動電路的輸出電流的調節(jié)三極管(Q507)； 其中，調節(jié)三極管(Q507)的基極通過一可調電阻(R535)連接到第三三極管(Q505)的集電極，調節(jié)三極管(Q507)的基極和發(fā)射極之間連接有一電阻(R536)，調節(jié)三極管(Q507)的集電極連接到第四三極管(Q508)的基極，調節(jié)三極管(Q507)的發(fā)射極和集電極之間連接有一電容(C516)。
7.根據(jù)權利要求4所述的驅動放大電路，其特征在于，所述主運算放大器(U3)包括與所述正輸入電路對稱設置的負輸入電路，所述負輸入電路包括: 進行初級放大的第一對稱三極管(Q502)，其基極連接電源，發(fā)射極連接到信號輸入端(INl)； 第二導通截止電路，該第二導通截止電路包括第二對稱三極管(Q504)、第三對稱三極管(Q506)以及對稱補償電容(C528、C530)； 其中，第二對稱三極管(Q504)的基極經(jīng)過經(jīng)過又一 RC振蕩電路(R526、C513)連接到第一對稱三極管(Q502)的集電極，第二對稱三極管(Q504)的基極經(jīng)過補償電容(C528、C530)連接到第三對稱三極管(Q506)的集電極，第二對稱三極管(Q504)的集電極和第三對稱三極管(Q506)的發(fā)射極接電源，其中所述又一 RC電路并聯(lián)有二極管(IN5242B)，該二極管(IN5242B)的陽極連接到第二對稱三極管(Q504)的基極，陰極連接到第一對稱三極管(Q502)的集電極。
8.根據(jù)權利要求1所述的驅動放大電路，其特征在于，偏置電流單元(U501)還包括第一偏置三極管(Q514)和第二偏置三極管(Q515),第一偏置三極管(Q514)和第二偏置三極管(Q515)的發(fā)射極連接到一起，第一偏置三極管(Q514)的基極和發(fā)射極之間連接有電阻(R552)； 所述第一運算放大器(Ul)的輸出端、第一偏置三極管(Q514)的基極和第二偏置三極管(Q515)的基極連接到一起，第一偏置三極管(Q514)的集電極連接電源，第二偏置三極管(Q515)的集電極接地。
9.一種方波脈沖產生裝置，其特征在于，包括: 如權利要求1-8任一種所述的驅動放大電路； 脈沖生成電路，該脈沖生成電路包括用于產生波形的模數(shù)轉換器和用于控制所述波形的幅值、寬度和/或頻率的數(shù)字控制器，數(shù)字控制器連接到模數(shù)轉換器，所述模數(shù)轉換器的輸出端作為信號輸入端(INl)，連接到所述主運算放大器(U3)的第一輸入端。
10.根據(jù)權利要求9所述的方波脈沖產生裝置，其特征在于，所述數(shù)字控制器為CYCLONE EPIC6，所述模數(shù)轉換器為THS5651A，所述的三極管選自快速三極管2N4209、2N2369、2N5160和2N3886中的一種或多種。
【文檔編號】H03K17/567GK203984382SQ201420363137
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年7月2日 優(yōu)先權日:2014年7月2日
【發(fā)明者】胡愛民 申請人:北京自動測試技術研究所, 胡愛民