本發(fā)明涉及低頻率的功率放大技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種dc～20khz頻段的功率放大器及進(jìn)行功率放大的方法。

背景技術(shù)：

目前許多領(lǐng)域都需要功率放大器，如無線發(fā)射用的射頻功率放大器、娛樂用的音頻功率放大器等；而在電路仿真領(lǐng)域、電路測試領(lǐng)域等大功率驅(qū)動領(lǐng)域,需要大功率驅(qū)動源才能驅(qū)動這些大功率負(fù)載，如飛機電源輸入端測試需要的功率為90kw，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真需要的功率為1mw，全電動艦船仿真需要的功率為4mw。但目前上述各類應(yīng)用場景中，信號測試發(fā)生器的輸出功率都比較小，因此需要借助超強的功率放大器，將測試信號無失真地放大，得到更高的驅(qū)動電壓和驅(qū)動電流，才能實現(xiàn)大功率驅(qū)動，以更好地應(yīng)用于各類場景。具體來說，在大功率電網(wǎng)實時在線仿真、元件和系統(tǒng)測試、電機驅(qū)動與測試、強磁場發(fā)生器以及各類用電設(shè)備的電源輸入端測試中，均需要頻率范圍從直流到一定頻率范圍(如20khz)的大功率驅(qū)動源。本發(fā)明可以為上述應(yīng)用提供合適的大功率驅(qū)動源。

圖1和圖2所示為目前普遍使用的兩種推挽功率放大器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)前的功率放大裝置主要是以上兩種結(jié)構(gòu)。如圖1所示，其采用互補雙極晶體管11和12作為功率輸出模塊。其缺點是，雙極晶體管11和雙極晶體管12必須絕對對稱，同時要具有相同的耐壓特性。雙極晶體管11為npn型晶體管，雙極晶體管12作為pnp型晶體管，都很難做到高耐壓和大功率輸出。

如圖2所示，其采用了互補的mosfet輸出，即n溝道m(xù)os管21和p溝道m(xù)os管22，它們必須絕對對稱，完成互補輸出。其中，n溝道m(xù)os管21是可以做到高耐壓的，而p溝道m(xù)os管22很難做到高耐壓，因此，它們不能匹配出高電壓輸出的功率放大器。

無論是圖1還是圖2的功率放大器，都是直接處理輸入信號，不需要對輸入信號進(jìn)行特別處理。所以，受限于所使用的npn型及pnp型晶體管11、12和p溝道m(xù)os管22的電子特性，無法提供高電壓輸出，因而也不能實現(xiàn)大功率輸出。

另外，現(xiàn)有技術(shù)中為配合推挽電路而搭配使用的電平分離模塊如圖3、圖4所示。圖3中的隔直流變壓器1和4，以及圖4中的隔直流電容1’和3’和4’，直流信號無法通過，所以這類電路不能對頻率范圍dc～20khz中的直流dc電信號進(jìn)行正負(fù)電平分離。圖3和圖4所示電路常見于射頻放大器和音頻高保真功率放大器等不需要直流放大的應(yīng)用場景中，在電信號的下限頻率很低(例如5hz)時，為了獲得很好的通過效果，圖3中的隔直流變壓器1和4以及圖4中的隔直流電容1’和3’和4’體積會非常大。也即，圖3和圖4的電平分離模塊不能夠處理直流信號。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于以上背景技術(shù)的缺陷，本發(fā)明旨在提供能夠輸出大功率直流信號的功率放大器和對功率進(jìn)行放大的方法。

首先，本發(fā)明提供一種功率放大器，包括：

第一功率輸出模塊與第二功率輸出模塊，二者結(jié)構(gòu)完全相同，且第一功率輸出模塊與第二功率輸出模塊各由k個完全相同的場效應(yīng)管單元并聯(lián)形成，所述第一功率輸出模塊與第二功率輸出模塊各具有模塊源極、模塊漏極和模塊門極；所述每個場效應(yīng)管單元包括m個n溝道場效應(yīng)管、驅(qū)動電路和基板，每個場效應(yīng)管單元的m個n溝道場效應(yīng)管和驅(qū)動電路裝于所述基板上，每個場效應(yīng)管單元中的m個n溝道場效應(yīng)管并聯(lián)形成每個場效應(yīng)管單元的公共源極、公共漏極和公共門極；

電平分離模塊，其能夠?qū)⒋糯笮盘柗蛛x并輸出正向電平和負(fù)向電平，所述電平分離模塊包括電壓跟隨器、恒流源和放大器；所述電壓跟隨器的輸出端與所述恒流源的輸入端相連，所述恒流源的輸出端與所述放大器的輸入端相連；

其中第一功率輸出模塊的模塊門極連接前述電平分離模塊分離出的正向電平，第二功率輸出模塊的模塊門極連接前述電平分離模塊的負(fù)向電平。

進(jìn)一步，所述功率放大器的最大輸出功率與所述場效應(yīng)管單元的個數(shù)k以及所述n溝道場效應(yīng)管的個數(shù)m成正相關(guān)。

所述第一功率輸出模塊和所述第二功率輸出模塊各自所有的場效應(yīng)管單元中的n溝道場效應(yīng)管采用頻率特性好的耐高壓功率開關(guān)型場效應(yīng)管，其能夠?qū)㈩l率范圍在dc～20khz的信號以高達(dá)700vpp的電壓大功率地輸出。

所述功率放大器還包括散熱板，第一功率輸出模塊和第二功率輸出模塊的所有場效應(yīng)管單元均裝于該散熱板上。

所述的功率放大器還包括前置放大模塊，其能夠放大輸入到其中的信號，并將放大后的信號輸入到所述電平分離模塊。

所述前置放大模塊采用集成電路模塊與晶體管分立元件構(gòu)成。

所述前置放大模塊能夠?qū)⒉淮笥?0vpp的電壓信號，最大放大至700vpp，其中vpp為電壓峰峰值。

所述功率放大器還包括整流模塊，其能夠?qū)κ须娺M(jìn)行整流、濾波，并為前述第一功率輸出模塊及第二功率輸出模塊供電。

本發(fā)明還提供一種利用前述功率放大器進(jìn)行功率放大的方法，包括以下步驟：

分離：利用所述的電平分離模塊將輸入的電壓信號分離成正向電平及負(fù)向電平；

正放大：由所述第一功率輸出模塊將前述分離步驟得到的正向電平線性放大；

負(fù)放大：由所述的第二功率輸出模塊將前述分離得到的負(fù)向電平線性放大；

推挽輸出：通過所述電平分離模塊對第一功率輸出模塊、第二功率輸出模塊交互作用，實現(xiàn)推挽輸出。

所述功率放大的方法，還可以包括以下步驟之一或其組合：

消除交越失真：通過電平分離模塊分離出的正向電平和負(fù)向電平精確配合，以消除電路的交越失真；

調(diào)整輸出功率：通過調(diào)整第一功率輸出模塊與第二功率輸出模塊中場效應(yīng)管單元的個數(shù)k，和/或調(diào)整每個場效應(yīng)管單元中n溝道場效應(yīng)管的個數(shù)m，來得到與k、m成正相關(guān)的輸出功率；

高電壓輸出：利用頻率特性好的耐高壓功率開關(guān)型場效應(yīng)管能夠?qū)c～20khz的信號以高達(dá)700vpp的輸出電壓大功率地輸出；

散熱：功率放大時通過散熱板進(jìn)行散熱；

前置放大：通過前置放大模塊將輸入信號放大，并將放大后的信號輸入到所述電平分離模塊；

整流、濾波：通過整流模塊，對市電進(jìn)行整流、濾波，為前述第一功率輸出模塊及第二功率輸出模塊供電。

按照以上本發(fā)明提供的功率放大器和對功率進(jìn)行放大的方法，首先使用了電平分離模塊對電子電平進(jìn)行變換，因此，能夠很好地實現(xiàn)直流通路，且在dc～20khz頻率范圍內(nèi)，能實現(xiàn)信號無失真地電平分離，并且配合本發(fā)明兩個相同的功率輸出模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)推挽輸出，從而實現(xiàn)大功率無失真地輸出。具體來說，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)以下效果：

1、輸出電壓最大可為700vpp(峰峰值)。

2、可以無失真地再現(xiàn)輸入波形，總諧波失真(thd)小于3％。

3、輸出電壓擺率達(dá)到(slewrate)50v/us。

4、負(fù)載類型可為：電阻、電容、電感。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中采用三極管的推挽輸出極電路。

圖2為現(xiàn)有技術(shù)中采用mosfet的推挽輸出極電路。

圖3為現(xiàn)有技術(shù)中的電平分離電路。

圖4為現(xiàn)有技術(shù)中的另一種電平分離電路。

圖5為本發(fā)明一個實施例的功率放大器的等效結(jié)構(gòu)簡圖。

圖6為本發(fā)明一個實施例的功率輸出模塊的結(jié)構(gòu)簡圖。

圖7為本發(fā)明一個功率輸出模塊的電路示意圖。

圖8為本發(fā)明一個場效應(yīng)管單元的電路示意圖。

圖9為本發(fā)明電平分離模塊的電路示意圖。

圖10為本發(fā)明的電平分離模塊的輸入端及輸出端的信號示意圖。

圖11為本發(fā)明的另一實施例的功率放大器的電路示意圖。

具體實施方式

為了對dc～20khz范圍的電流信號進(jìn)行功率放大，本發(fā)明提供一種功率放大器及對應(yīng)的功率放大方法。

為說明本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合實施例進(jìn)行說明。須注意，所描述的實施例僅是本發(fā)明的一部分、而非全部實施例?；谒枋龅膶嵤├?，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員不付出創(chuàng)造性勞動所獲得的其他實施例，均屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實施例一

圖5為本發(fā)明一實施例的功率放大器的等效結(jié)構(gòu)簡圖，output表示輸出端。如圖5與圖9所示，所示的本發(fā)明的功率放大器包括：電平分離模塊w，其能夠?qū)⒋糯笮盘杦1分離并輸出正向電平w4和負(fù)向電平w5；第一功率輸出模塊m1和第二功率輸出模塊m2，二者結(jié)構(gòu)完全相同，且均可以分別等效為一個n溝道場效應(yīng)管，圖5中僅畫出兩個功率輸出模塊m1、m2所對應(yīng)的兩個等效n溝道場效應(yīng)管，但這并不表示本實施例的兩個功率輸出模塊僅僅由兩個n溝道場效應(yīng)管構(gòu)成。

如上所述，第一功率輸出模塊m1及第二功率輸出模塊m2結(jié)構(gòu)完全相同。在本實施例中，第一功率輸出模塊m1及第二功率輸出模塊m2各包括k個相互并聯(lián)的完全相同的場效應(yīng)管單元。所述的k個場效應(yīng)管單元并聯(lián)組合方式如圖6、圖7所示。圖7為第一功率輸出模塊的電路示意圖，所述的k個場效應(yīng)管單元并聯(lián)形成第一功率模塊m1，其包含第一模塊源極s1、第一模塊漏極d1和第一模塊門極g1；同理，第二功率模塊的k個場效應(yīng)單元并聯(lián)，并包含第二模塊源極、第二模塊漏極和第二模塊門極。

圖8為所述第一功率模塊中場效應(yīng)管單元dy11的電路示意圖。如圖8所示，其包括基板l11(可采用鋁基板、陶瓷基板等)、驅(qū)動電路q11及m個相互并聯(lián)的n溝道場效應(yīng)管n111-n11m。如圖8，場效應(yīng)管單元dy11的驅(qū)動電路q11及m個相互并聯(lián)的n溝道場效應(yīng)管n111-n11m均裝于基板l11上(可采用焊接、粘接、壓接等)。圖8中，所述的m個n溝道場效應(yīng)管并聯(lián)形成場效應(yīng)管單元dy11，并形成公共源極s11、公共漏極d11和公共門極g11。公共門極g11連接驅(qū)動電路q11，驅(qū)動電路q11可以提供足夠的驅(qū)動電流來保證擺率高達(dá)50v/μs(伏/微秒)。

通過上述說明及圖6、圖11可知，第一功率輸出模塊的k個場效應(yīng)管單元dy11、dy12、dy13……dy1k，并聯(lián)形成第一功率輸出模塊m1，并形成第一模塊源極s1、第一模塊漏極d1和第一模塊門極g1。同理可知，第二功率模塊的k個場效應(yīng)單元dy21、dy22……dy2k并聯(lián)形成第二功率輸出模塊m2，并形成第二模塊源極s2、第二模塊漏極d2和第二模塊門極g2。

電平分離模塊w的電路示意圖見圖9。電平分離模塊w包括電壓跟隨器a1、恒流源i1和i2、放大器a2和a3。電壓跟隨器a1可由高壓晶體管實現(xiàn)，且其輸出端與恒流源i1和i2相連。恒流源i1和i2在交流工作時具有很高的阻抗，二者可將輸入的電壓信號w1分離為正向電壓w2和負(fù)向電壓w3。放大器a2將正向電壓w2放大并疊加第一功率輸出模塊m1的線性區(qū)開啟電壓vgt后，形成正向電平w4并傳輸給第一功率輸出模塊m1的模塊門極g1；同理，放大器a2將負(fù)向電壓w3放大并疊加第二功率輸出模塊m2的線性區(qū)開啟電壓vgt后，形成負(fù)向電平w5并傳輸給第二功率輸出模塊m2的模塊門極g2。電壓信號w1、正向電壓w2、負(fù)向電壓w3、正向電平w4、負(fù)向電平w5如圖10所示，其中，橫軸為時間軸，vs1是第一功率輸出模塊m1的模塊源極s1的電壓,vs2是第二功率輸出模塊m2的模塊源極s2的電壓。

參見圖5，第一功率輸出模塊m1的第一模塊門極g1連接電平分離模塊w分離出的正向電平w4，第二功率輸出模塊m2的第二模塊門極g2連接電平分離模塊w分離出的負(fù)向電平w5。電平分離模塊w交互作用于第一功率輸出模塊m1及第二功率輸出模塊m2，從而可實現(xiàn)推挽輸出output。同時，電平分離模塊w經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，可使第一功率輸出模塊m1及第二功率輸出模塊m2工作在線性放大區(qū)并能克服交越失真，以實現(xiàn)無失真大功率輸出。

此外，通過調(diào)整第一功率輸出模塊m1和第二功率輸出模塊m2中場效應(yīng)管單元的個數(shù)即調(diào)整數(shù)值k，和/或調(diào)整每個場效應(yīng)管單元中n溝道場效應(yīng)管的個數(shù)即調(diào)整數(shù)值m值，即可得到與數(shù)值k、m成正相關(guān)的最大輸出功率。

如上所述可知，本發(fā)明采用n溝道場效應(yīng)管，特別是可采用頻率特性好的耐高壓的功率開關(guān)型場效應(yīng)管，可以使其輸出電平達(dá)到700vpp(vpp：電壓峰峰值)，同時能保證對頻率范圍在dc～20khz的電信號進(jìn)行大功率輸出。

見圖6，將第一功率模塊m1中各場效應(yīng)管單元dy11-dy1k的基板l11、l12、l13…l1k安裝于散熱板l(可采用鋁材、銅材、陶瓷等能起到散熱作用的材料)上，如此可利用散熱板l將所述場效應(yīng)管單元上的所有元器件產(chǎn)生的熱量與外界進(jìn)行熱交換(散熱)。同理可知，第二功率輸出模塊m2中場效應(yīng)管單元上的所有元器件產(chǎn)生的熱量也用過該散熱板與外界進(jìn)行熱交換(散熱)，從而實現(xiàn)良好的散熱效果。

利用上述本發(fā)明的功率放大器，本發(fā)明還提供一種功率放大的方法，其包括以下步驟：

分離：利用電平分離模塊w將輸入的電壓信號w1分離成正向電平w4及負(fù)向電平w5；

正放大：由第一功率輸出模塊m1將前述分離得到的正向電平w4線性放大；

負(fù)放大：由第二功率輸出模塊m2將前述分離得到的負(fù)向電平w5線性放大；

推挽輸出：通過電平分離模塊w對第一功率輸出模塊m1及第二功率輸出模塊m2進(jìn)行交互作用，以實現(xiàn)推挽輸出。

所述的功率放大的方法，還可以包括以下步驟：

消除電路的交越失真：通過電平分離模塊w分離出的正向電平及負(fù)向電平w4、w5精確配合，能夠消除電路的交越失真。

調(diào)整輸出功率：調(diào)整兩個功率輸出模塊m1、m2中場效應(yīng)管單元的個數(shù)即調(diào)整數(shù)值k，和/或調(diào)整所述每個場效應(yīng)管單元中n溝道場效應(yīng)管的個數(shù)即調(diào)整數(shù)值m，可得到與數(shù)值k、m成正相關(guān)的輸出功率。

高電壓輸出：利用頻率特性好的耐高壓功率開關(guān)型場效應(yīng)管將dc～20khz的信號能夠以高達(dá)700vpp的輸出電壓大功率地輸出、

散熱：功率放大時可通過散熱板l進(jìn)行散熱。

前置放大：通過設(shè)置前置放大模塊fd將輸入信號放大，可將放大后的信號輸入到所述電平分離模塊。

整流、濾波：通過整流模塊zl，對市電進(jìn)行整流、濾波，為前述第一功率輸出模塊及第二功率輸出模塊供電。

實施例二

在實施例一所示的功率放大器的基礎(chǔ)上，還可以包括前置放大模塊fd，如圖11所示。其可將輸入信號放大以得到電壓信號w1并輸入到電平分離模塊w。所述前置放大模塊fd可采用集成電路和晶體管分立元件構(gòu)成，其可將不大于10vpp的信號最大放大至700vpp，以獲得高輸出電壓，所述vpp指電壓的峰峰值。

實施例三

在實施例一所示的功率放大器的基礎(chǔ)上，還可以包括整流模塊zl，如圖11所示。其能對輸入的市電進(jìn)行整流、濾波，得到直流電流，并以此為第一及第二功率輸出模塊供電。所述整流模塊可以為半波整流電路、全波整流電路、全橋整流電路等任一類交流-直流轉(zhuǎn)換電路(ac-dc)。

由上述可見，以上實施例所示的功率放大器，可實現(xiàn)對信號的無失真放大，可實現(xiàn)的性能指標(biāo)為：

1、輸出電壓最大為700vpp(峰峰值)。

2、無失真再現(xiàn)輸入波形，總諧波失真(thd)小于3％。

3、輸出電壓擺率(slewrate)50v/us。

4、負(fù)載類型：電阻、電容、電感。

本發(fā)明的功率放大器可應(yīng)用于以下場合：大功率電網(wǎng)實時在線仿真、用電系統(tǒng)測試、元件和系統(tǒng)測試、大功率驅(qū)動、強磁場發(fā)生器、大功率壓電晶體驅(qū)動、大功率激光器驅(qū)動等諸多領(lǐng)域。

以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。