[发明专利]一种用于静电支承系统的高压放大器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于为静电支承系统提供高电压的高压放大器。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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P_R＝U²/R，当集电极电阻上的电压增大时，其损耗是以P_R∝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_c＝UI，其损耗是以P_c∝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。

本发明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U_Ctrl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。

本发明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为本发明的电路图；

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。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。