小信号放大.docx

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小信号放大

经典信号放大电路

（8X196/MC/MD/MH）以及DSP，可以使控制电路结构简化，集成度高。

由于数字芯片一般价格比较高，所以在此采用模拟集成电路。

主电路采用全桥逆变结构，SPWM波的产生采用UC3637双PWM控制芯片，并采用美国IR公司推出的高压浮动驱动集成模块IR2110，从而减小了装置的体积，降低了成本，提高了系统的可靠性。

经本电路放大后，信号可达3kV，并保持了良好的输出波形。

1   UC3637的原理与基本功能

   UC3637的原理框图如图1所示。

其内部包含有一个三角波振荡器，误差放大器，两个PWM比较器，输出控制门，逐个脉冲限流比较器等。

图1   UC3637原理框图

   UC3637可单电源或双电源工作，工作电压范围±（2.5～20）V，特别有利于双极性调制；双路PWM信号，图腾柱输出，供出或吸收电流能力100mA；逐个脉冲限流；内藏线性良好的恒幅三角波振荡器；欠压封锁；有温度补偿；2.5V阈值控制。

   UC3637最具特色的是三角波振荡器，三角波产生电路如图2所示。

三角波参数按式

（1）及式

（2）计算。

   Is=

（1）

   f=

（2）

式中：

VTH为三角波峰值的转折（阈值）电压；

     Vs为电源电压；

     RT为定时电阻；

     CT为定时电容；

     Is为恒流充电电流；

     f为振荡频率。

图2   三角波产生电路

   UC3637具有一个高速、带宽为1MHz、输出低阻抗的误差放大器，既可以作为一般的快速运放，亦可作为反馈补偿运放。

UC3637实现其主要功能的就是两个PWM比较器，实现电路如图3所示。

其他还有如欠压封锁，2.5V阈值控制等功能，这些功能在应用电路中也给予实现。

图3   PWM产生电路

2   IR2110的结构与应用

   IR2110的内部功能框图如图4所示。

它由三个部分组成：

逻辑输入，电平平移及输出保护。

图4   IR2110内部功能框图

   IR2110具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达600V，在15V下静态功耗仅116mW；输出的电源端（脚3Vcc，即功率器件的栅极驱动电压）电压范围10～20V；逻辑电源电压范围（脚9VDD）3.3～20V，可方便地与TTL或CMOS电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有±5V的偏移量；工作频率高，可达100kHz；开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns；图腾柱输出峰值电流为2A。

   下面分析高压侧悬浮驱动的自举原理。

   IR2110用于驱动半桥的电路如图5所示。

图中C1及VD1分别为自举电容和二极管，C2为Vcc的滤波电容。

假定在S1关断期间C1已充到足够的电压（Vc1≈Vcc）。

当脚10（HIN）为高电平时VM1开通，VM2关断，Vc1加到S1的门极和发射极之间，C1通过VM1，Rg1和S1栅极－发射极电容Cge1放电，Cge1被充电。

此时Vc1可等效为一个电压源。

当脚10（HIN）为低电平时，VM2开通，VM1断开，S1栅电荷经Rg1，VM2迅速释放，S1关断。

经短暂的死区时间（td）之后，脚12（LIN）为高电平,S2开通，Vcc经VD1，S2给C1充电，迅速为C1补充能量。

如此循环反复。

图5   IR2110用于驱动半桥的电路

   IR2110的不足是保护功能不够及其自身不具有负偏压。

为此，给它外加了一个负偏压电路，具体见图6。

图6   采用IR2110驱动电路

3   应用UC3637和IR2110构成控制驱动电路

   图6是IR2110构成的驱动电路。

由图6可见用两片IR2110可以驱动一个逆变全桥电路，它们可以共用同一个驱动电源而不须隔离，使驱动电路极其简化。

IR2110本身不能产生负偏压。

由驱动电路可见本电路在每个桥臂各加了负偏压电路，以左半部为例，其工作过程如下：

VDD上电后通过R1给C1充电，并在VW1的钳位下形成＋5.1V电压Vc1，当IR2110的脚1（LO）输出为高电平时，下管有（VDD－5.1）V的驱动电压，同时在下管关断时下管的栅源之间形成一个－5.1V的偏压；下管开通同时脚1（LO）输出高电平通过Rg2，R2开通MOSFET让C3进行充电;当IR2110的脚7（HO）输出为高电平时，由C3放电提供上管开通电流，同时给C2充电并由VW2钳位＋5.1V，下管关断时Vc2即形成负偏压。

为了只用IR2110的保护功能，把脚11（SD）端接地。

   图7是用UC3637产生PWM波的电路。

由图7可知，这是一个开环小信号放大电路，因为，小信号的电压幅值相对三角波幅值过低，所以，小信号先经过UC3637本身的Error运算放大器进行放大，使其幅值约等于三角波的幅值。

本电路没有利用UC3637做死区，而是单独作了一个死区延时。

然后把放大的信号直接和三角波进行比较，分别在UC3637的脚4及脚7输出反相的SPWM波，经过死区延时电路、滤杂波电路、隔离电路送到IR2110驱动芯片。

图7   采用UC3637的PWM产生电路

   设计电路应注意以下问题：

   1）UC3637的RT和CT要适当选择，避免RT上的电流过大，损坏片子；

   2）驱动电路中C2值要远远大于上管的栅源极之间的极间电容值；

   3）IR2110的自举元件电容的选择取决于开关频率，VDD及功率MOSFET的栅源极的充电需要，二极管的耐压值必须高于峰值电压，其功耗应尽可能小并能快速恢复；

   4）IR2110的驱动脉冲上升沿取决于Rg，Rg值不能过大以免使其驱动脉冲的上升沿不陡，但也不能使驱动均值电流过大以免损坏IR2110；

   5）当PWM产生电路是模拟电路时可以直接把信号接到IR2110；当用采数字信号时要考虑隔离；

   6）注意直流偏磁问题。

4   实验结果

   由一个信号发生器模拟输入，UC3637产生63kHz的三角波，直流母线电压是220V。

本电路分别在假性负载和压电陶瓷负载下做实验，输出端输出很好的放大信号。

   图8是在实验室做单频正弦输入信号上下功率MOSFET的驱动波形，图9是逆变桥的输出。

图10也是输出波形（时间参数变化），图11是M=0.1时带假性负载的负载波形。

图8   上下开关管驱动波形

图9   逆变桥输出波形（量程所限）

图10   逆变桥输出波形

图11   负载波形

   真正的信号是一个随机的信号，负载是一个压电换声器，本电路在M≌1.0，变压器变比为1∶7时，能使小信号放大到峰值3.2kV，输出有效值能到680V，放大信号失真很小，满足技术要求。

由于高压示波器没有接口，而未能把负载两端的波形拍出来。