一种基于运算放大器自举与反馈电路的电压源电路转让专利
申请号 : CN202010947783.X
文献号 : CN112162582B
文献日 : 2021-07-27
发明人 : 王自鑫 , 李文哲 , 陈弟虎 , 韩海涛 , 侯林汛 , 胡德林 , 张锡斌
申请人 : 中山大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于运算放大器自举与反馈电路的电压源电路,其特征在于:包括数模转换激励源、运算放大器自举与反馈拓扑网络电路、推挽式输出拓扑网络电路;
所述的数模转换激励源的输出端与所述的运算放大器自举与反馈拓扑网络电路的输入端连接,用于向所述的运算放大器自举与反馈拓扑网络电路提供控制电路,使得所述的数模转换激励源数字可控;
所述的运算放大器自举与反馈拓扑网络电路的输出端与推挽式输出拓扑网络电路的输入端连接;同时所述的运算放大器自举与反馈拓扑网络电路通过采集所述的推挽式输出拓扑网络电路的输出节点电压,实现负反馈,使得推挽式输出拓扑网络电路输出恒定的电压值;
所述的运算放大器自举与反馈拓扑网络电路通过自举调整电压轨,实现大范围的电压输出,并通过所述的推挽式输出拓扑网络电路,实现100V以上的电压输出,1A以上的电流输出;
所述的运算放大器自举与反馈拓扑网络电路包括第二运算放大器,正高压电源,负高压电源、第一三极管、第二三极管、用于确定第二运算放大器工作电压范围的稳压二极管、电阻;
所述的正高压电源通过第一三极管向第二运算放大器供电;所述的负高压电源通过第二三极管向第二运算放大器供电;
所述的运算放大器自举与反馈拓扑网络电路包括运算放大器A1、正高压电源HV+、负高压电源HV‑、正电压轨供电NMOS管Q1、负电压轨供电PMOS管Q2、同向放大比例电阻R1、同向放大比例电阻R2、电阻R15、电阻R16、正电压轨稳压管ZD1、负电压轨稳压管ZD2;
所述的运算放大器A1的正输入端连接所述的输出级缓冲电路的输出端,用于提供数字可控的弱激励源;
所述的运算放大器A1的负输入端通过同向放大比例电阻R2接地;
所述的正高压电源HV+分别与正电压轨供电NMOS管Q1的D极,电阻R15的一端;
所述的正电压轨供电NMOS管Q1的S极与正电源端连接;所述的电阻R15的另一端通过正电压轨稳压管ZD1与运算放大器A1的输出端连接;
所述的正电压轨供电NMOS管Q1的G极接在电阻R15与正电压轨稳压管ZD1之间;
所述的同向放大比例电阻R1串联在运算放大器A1的负输入端、运算放大器A1的输出端之间;
所述的负高压电源HV‑的负极依次通过负电压轨供电PMOS管Q2的D极、S极与运算放大器A1的负电源端连接;
所述的负高压电源HV‑的负极同时通过电阻R16、负电压轨稳压管ZD2与运算放大器A1的输出端连接;
所述的负电压轨供电PMOS管Q2的G极接在电阻R16、负电压轨稳压管ZD2之间。
2.根据权利要求1所述的基于运算放大器自举与反馈电路的电压源电路,其特征在于:所述的正电压轨供电NMOS管Q1可替换为NPN三极管;所述的负电压轨供电PMOS管Q2可替换为PNP三极管。
3.一种基于运算放大器自举与反馈电路的电压源电路,其特征在于:包括数模转换激励源、运算放大器自举与反馈拓扑网络电路、推挽式输出拓扑网络电路;
所述的数模转换激励源的输出端与所述的运算放大器自举与反馈拓扑网络电路的输入端连接,用于向所述的运算放大器自举与反馈拓扑网络电路提供控制电路,使得所述的数模转换激励源数字可控;
所述的运算放大器自举与反馈拓扑网络电路的输出端与推挽式输出拓扑网络电路的输入端连接;同时所述的运算放大器自举与反馈拓扑网络电路通过采集所述的推挽式输出拓扑网络电路的输出节点电压,实现负反馈,使得推挽式输出拓扑网络电路输出恒定的电压值;
所述的运算放大器自举与反馈拓扑网络电路通过自举调整电压轨,实现大范围的电压输出,并通过所述的推挽式输出拓扑网络电路,实现100V以上的电压输出,1A以上的电流输出;
所述的运算放大器自举与反馈拓扑网络电路包括第二运算放大器,正高压电源,负高压电源、第一MOS管、第二MOS管、用于确定第二运算放大器工作电压范围的稳压二极管、电阻;
所述的正高压电源通过第一MOS管向第二运算放大器供电;所述的负高压电源通过第二MOS管向第二运算放大器供电;
所述的运算放大器自举与反馈拓扑网络电路包括运算放大器A2、正高压电源HV+、负高压电源HV‑、正电压轨供电NMOS管Q3、负电压轨供电PMOS管Q4、正反馈比例电阻R3、正反馈比例电阻R4、负反馈电阻R5、电阻R17、电阻R18、正电压轨稳压管ZD3、负电压轨稳压管ZD4;
所述的正高压电源HV+的正极依次通过正电压轨供电NMOS管Q3的D极、S极与运算放大器A2的正电源端连接;同时所述的正高压电源HV+的正极还依次通过电阻R17、正电压轨稳压管ZD3与运算放大器A2的输出端连接;
所述的正电压轨供电NMOS管Q3的G极连接在电阻R17、正电压轨稳压管ZD3之间;
所述的负高压电源HV‑的负极依次通过负电压轨供电NMOS管Q4的D极、S极与运算放大器A2的负电源端连接;同时所述的负高压电源HV‑的负极还依次通过电阻R18、负电压轨稳压管ZD4与运算放大器A2的输出端连接;
所述的负电压轨供电NMOS管Q4的G极连接在电阻R18、正电压轨稳压管ZD4之间;
所述的负反馈电阻R5串联在运算放大器A2的负输入端、输出端之间;
所述的运算放大器A2的正输入端依次与正反馈比例电阻R4、数模转换激励源的正端;
所述的数模转换激励源的负端与运算放大器A2的输出端连接;同时所述的运算放大器A2的正输入端通过所述的正反馈比例电阻R3接地。
4.根据权利要求3所述的基于运算放大器自举与反馈电路的电压源电路,其特征在于:所述的正电压轨供电NMOS管Q3可替换为NPN三极管;所述的负电压轨供电PMOS管Q4可替换为PNP三极管。
5.根据权利要求1~4任一项所述的基于运算放大器自举与反馈电路的电压源电路,其特征在于:所述的数模转换激励源包括数模转换器、参考电压源、输出级缓冲电路;
所述的参考电压源用于向所述的数模转换器提供参考电压;
所述的数模转换器将参考电压源转换为数字信号,并通过输出级缓冲电路与所述的运算放大器自举与反馈拓扑网络电路的输入端连接。
6.根据权利要求5所述的基于运算放大器自举与反馈电路的电压源电路,其特征在于:所述的数模转换激励源还包括第一运算放大器;所述的参考电压源通过第一运算放大器跟随输出或放大输出,向数模转换器提供参考电压。
7.根据权利要求3或4任一项所述的基于运算放大器自举与反馈电路的电压源电路,其特征在于:所述的负反馈电阻R5小于正反馈比例电阻R4,使得负反馈的强度大于正反馈,实现负反馈让电路的输出电压稳定。
8.根据权利要求6所述的的基于运算放大器自举与反馈电路的电压源电路,其特征在于:所述的推挽式输出拓扑网络电路的电压放大倍数为1。
9.根据权利要求8所述的基于运算放大器自举与反馈电路的电压源电路,其特征在于:所述的推挽式输出拓扑网络电路包括正电压轨的分压MOS管Q5、Q6、Q7,负电压轨的分压MOS管Q8、Q9、Q10,正电压轨稳压电源V_set+,负电压轨稳压电源V_set‑,栅极分压电阻R6、R7、R8、R9,正高压电压源HV+,负高压电压源HV‑,电阻R10;
所述的正高压电压源HV+的正极依次通过栅极分压电阻R6、栅极分压电阻R7与正电压轨稳压电源V_set+的正极连接;
所述的正电压轨稳压电源V_set+的负极接地;
所述的分压MOS管Q5的G极接在栅极分压电阻R6与栅极分压电阻R7之间;
所述的分压MOS管Q5的D极接在栅极分压电阻R6与正高压电压源HV+之间;
所述的分压MOS管Q5的S极与分压MOS管Q6的D极连接;
所述的分压MOS管Q6的S极分别与运算放大器自举与反馈拓扑网络电路的正端、分压MOS管Q7的D极连接;
所述的第二运算放大器的输出端通过电阻10输出;
所述的分压MOS管Q7的G极接在第二运算放大器的输出端与电阻10之间;
所述的分压MOS管Q7的S极接在电阻R10的输出端;
所述的负高压电压源HV‑的负极依次通过分压MOS管Q10的D极、S极,分压MOS管Q9的D极、S极,分压MOS管Q7的D极、S极接在电阻R10的输出端;
同时所述的负高压电压源HV‑的负极依次通过栅极分压电阻R9、栅极分压电阻R8与负电压轨稳压电源V_set‑的负极连接;
所述的分压MOS管Q10的G极接在栅极分压电阻R9与栅极分压电阻R8之间;
所述的分压MOS管Q9的G极接在负电压轨稳压电源V_set‑与栅极分压电阻R8之间;
所述的分压MOS管Q9的S极还与运算放大器自举与反馈拓扑网络电路的负端连接;
所述的分压MOS管Q8的G极接在运算放大器自举与反馈拓扑网络电路的输出端与电阻R10之间。
10.根据权利要求9所述的基于运算放大器自举与反馈电路的电压源电路,其特征在于:在正高压电压源HV+与分压MOS管Q5的D极之间串接有第一过流保护电路,所述的第一过流保护电路用于限制正高压电压源HV+输出时输出电流。
11.根据权利要求10所述的基于运算放大器自举与反馈电路的电压源电路,其特征在于:所述的第一过流保护电路包括电阻R19、电阻R20、电阻R11、电阻R12,NPN三极管N1、NPN三极管N2;
所述的正高压电压源HV+的正极分别于电阻R19的一端、NPN三极管N2的C极连接;
所述的电阻R19的另一端分别与所述的NPN三极管N1的C极、NPN三极管N2的B极连接;
所述的NPN三极管N 2的E极与分压MOS管Q 5的D极之间并联电阻R11、R12;
所述的NPN三极管N1的B极通过电阻R20与NPN三极管N2的E极连接;
所述的NPN三极管N1的E极与分压MOS管Q 5的D极连接。
12.根据权利要求9所述的基于运算放大器自举与反馈电路的电压源电路,其特征在于:在负高压电压源HV‑与分压MOS管Q10的D极之间串接有第二过流保护电路,所述的第二过流保护电路用于限制负高压电压源HV‑输出时的倒灌电流。
13.根据权利要求12所述的基于运算放大器自举与反馈电路的电压源电路,其特征在于:所述的第二过流保护电路包括电阻R21、电阻R22、电阻R13、电阻R14、PNP三极管N3、PNP三极管N4;
所述的负高压电压源HV‑的负极分别与所述的电阻R21的一端、PNP三极管N4的C极连接;
所述的电阻R21的另一端分别与PNP三极管N3的C极、PNP三极管N4的B极连接;
所述的PNP三极管N4的E极与分压MOS管Q10的D极并联电阻R13、电阻R14;
所述的PNP三极管N1的B极通过电阻R22与PNP三极管N4的E极连接;
所述的PNP三极管N3的E极与分压MOS管Q10的D极连接。
说明书 :
一种基于运算放大器自举与反馈电路的电压源电路
技术领域
背景技术
范围一旦增大,在高电压下的电源纹波等问题往往又会凸显出来,无法提供精确的测量。
了运算放大器供电电压轨的限制,无法超越运算放大器芯片的标定参数,若需要输出更大
的电压范围,除了换用供电电压轨更大的运算放大器,自举电路可以以最小的成本得到输
出电压范围的极大拓展。如中国专利号:CN 108983859 A,公开日:2018.12.11,具体公开了
一种程控电源,具体的,其包括数字控制器模块;与所述数字控制器模块连接的D/A转换模
块;与D/A转换模块连接的第一隔离模块;输出电压控制模块,所述输出电压控制模块的输
入端与第一隔离模块的输出端连接;所述输出电压控制模块为负载供电;霍尔电流传感器
模块,用于测量输出电压控制模块输出至负载的电流;与负载的连接的仪表放大器模块;与
仪表放大器模块连接的第二隔离模块;分别与霍尔电流传感器模块的输出端和第二隔离模
块的输出端连接的A/D转换模块,所述A/D转换模块的输出端与所述数字控制器模块的输入
端连接。
力。
发明内容
挽式输出电路,实现了较大电压输出范围,较大电流输出能力,高精度,显著的提高了电压
源电路的负载能力。
出拓扑网络电路;
述的数模转换激励源数字可控;
输出拓扑网络电路的输出节点电压,实现负反馈,使得推挽式输出拓扑网络电路输出恒定
的电压值;
的电流输出。
电,该电压源可提供一定的负载能力,可用于多种类DUT的直流激励的产生。
附图说明
具体实施方式
对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明
一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有
做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
述的数模转换激励源的电路数字可控;
输出拓扑网络电路的输出节点电压,实现负反馈,保证推挽式输出拓扑网络电路输出恒定
的电压值;
能力的电压输出,实现产生100V以上的电压输出,1A以上的电流输出。
换器提供高精度的参考电压。
参考电压。
作电压范围的稳压二极管、电阻;
极管、电阻;
电压轨供电NMOS管Q1、负电压轨供电PMOS管Q2、同向放大比例电阻R1、同向放大比例电阻
R2、电阻R15、电阻R16、正电压轨稳压管ZD1、负电压轨稳压管ZD2;
路提供数字可控的弱激励源;
管,这种替换应该也属于本专利的保护范围,这些MOS管或三极管的作用是为运算放大器提
供工作所需的电流。
是确定运算放大器A1工作的电压范围,可以假定运算放大器A1输出电压值为Uout,正电压
轨供电NMOS管Q1和负电压轨供电PMOS管Q2的阈值电压假定为Uth,则此时运算放大器A1工
作的电压轨是Uout‑Uzd+Uth~Uout+Uzd‑Uth。
流为Umax/(R1+R2),此电流值应该远小于运放的最大输出电流Imax。根据同相比例放大结
构的原理,该运算放大器结构的理论输出值Uout=Usignal*(R1+R2)/R2。
输入电压应满足HV+≥+Umax,HV‑≤‑Umax。
压电源HV‑、正电压轨供电NMOS管Q3、负电压轨供电PMOS管Q4、正反馈比例电阻R3、正反馈比
例电阻R4、负反馈电阻R5、电阻R17、电阻R18、正电压轨稳压管ZD3、负电压轨稳压管ZD4;
轨稳压管ZD3与运算放大器A2的输出端连接;
轨稳压管ZD4与运算放大器A2的输出端连接;
A2的正输入端通过所述的正反馈比例电阻R3接地。
转换激励源整体结构是基于浮动的地平面的。
因此该电路的直流输出偏差对比实施例1更小。
管,这种替换应该也属于本专利的保护范围,这些MOS管或三极管的作用是为运算放大器提
供工作所需的电流。
是确定高压运算放大器A2工作的电压范围,可以假定运算放大器A2输出电压值为Uout,正
电压轨供电NMOS管Q3和负电压轨供电PMOS管Q4的阈值电压假定为Uth,则此时运算放大器
A2工作的电压轨是Uout‑Uzd+Uth~Uout+Uzd‑Uth。
原理,为了实现负反馈让电路的输出电压稳定,负反馈的强度必须远大于正反馈,故电阻的
选择上,应满足R5远小于R4,否则会引起环路的不稳定。
例中所述的推挽式输出拓扑网络电路包括正电压轨的分压MOS管Q5、Q6、Q7,负电压轨的分
压MOS管Q8、Q9、Q10,正电压轨稳压电源V_set+,负电压轨稳压电源V_set‑,栅极分压电阻
R6、R7、R8、R9,正高压电压源HV+,负高压电压源HV‑,电阻R10;
励电压源401决定。
401结构的输出节点作为这两路电源的地端,正负电压轨稳压电源的幅值是完全相同的,该
电压幅度应满足401结构要求特定供电范围Amp_V+和Amp_V‑,结合实施例3中的所述的运算
放大器自举与反馈拓扑网络电路,该稳压电源的幅值应满足Amp_V+=V_set+‑Uth>Uzd。其
中Uth为图4中MOS管Q6的开通阈值电压,Uzd为实施例3中所用稳压管的稳压电压。
压为:
压电阻流过的电流仅为流过MOS管电流的0.1%‑%1,当然这种假设需要根据实际情况进行
调整。
压源结构的稳定输出。
不正常或损坏。
例中涉及的电压源结构的功率包络可以完整负载四个象限,也就是具有四象限的功率能
力,也是因为这种特性,该实施例可以实现电子负载的部分功能。
流保护电路用于限制正高压电压源HV+输出时输出电流。在负高压电压源HV‑和MOS管Q10的
D极之间串联第二过流保护电路,所述的第二过流保护电路用于限制负高压电压源HV‑输出
时的倒灌电流。
进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。