一种混频复合型电压放大电路及测试设备

技术领域

本申请涉及电压放大电路技术领域，尤其涉及一种混频复合型电压放大电路及测试设备。

背景技术

在很多应用场景中，电压放大器作为一个将电压放大的电压信号源，可以方便地进行电缆绝缘材料的耐压测试，驱动电致振动、驱动压电陶瓷和驱动电致发光等等。不同的项目、不同的需求，对电压放大器的参数要求各有不相同，也即从设计开发电压放大器的角度，电压放大器需要兼容广泛的应用需求，如要求具备宽电压、宽频、足够的电流和功率等。其中对高压电压放大器的性能要求主要体现在宽电压、宽频等性能上，即一般输出电压大于2 0 0V峰峰值、带宽为k H z及以上。传统的电压放大电路,通常采用了三极管、M O S管等元器件，因器件性能的限制，输入高频信号时一般放大到低压，需要得到高压时一般输入低频信号，难以将高频信号稳定工作放大到高压，对宽电压、宽频的兼容性较差。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供一种混频复合型电压放大电路，通过巧妙的电路结构设计，具备宽电压、宽频信号的电压放大功能，降低设计、制造成本。

为达到上述目的，本申请采取的技术方案如下：

一种混频复合型电压放大电路，包括：

分离模块；所述分离模块用于对输入信号进行高低频分离，以得到高频段信号和低频段信号；

低频放大模块；所述低频放大模块与所述分离模块连接，以对低频段信号进行放大；

高频放大模块；所述高频放大模块与所述分离模块连接，以对高频段信号进行放大；所述高频放大模块内部设有放大器驱动变压器结构；

混频模块；所述混频模块分别与所述低频放大模块和高频放大模块连接，以对放大后的高频段信号和低频段信号进行混频，以输出混频信号。

进一步的，还包括带通模块；所述带通模块与所述分离模块连接；所述带通模块对输入信号进行带通滤波，并输出需要的带通信号到分离模块。

进一步的，所述带通模块包括电阻R1、放大器U1、电阻R 2和电容C1；所述电阻R1的第一端作为带通模块的输入端，第二端与所述放大器U1的正向输入端连接；所述放大器U1的反相输入端与输出端、电阻R 2的第一端连接；所述电阻R 2的第二端与所述电容C1的第一端连接后，作用为带通模块的输出端；所述电容C1的第二端接地。

进一步的，所述分离模块包括高通滤波单元和减频单元；所述高通滤波单元用于对输入信号进行高通滤波得到高频段信号；所述减频单元与所述高通滤波单元连接，用于将输入信号中减去高频段信号以得到低频段信号；所述高通滤波单元与所述高频放大模块连接；所述减频单元与所述低频放大模块连接。

进一步的，所述高通滤波单元包括电容C 2；所述电容C 2的第一端作为所述高通滤波单元的输入端，第二端作为所述高通滤波单元的输出端与所述高频放大模块连接。

进一步的，所述减频单元包括电阻R 4、电阻R1 1、电阻R1 2、电阻R1 3和放大器U2；所述电阻R 4的第一端与所述电容C 2的第一端连接，以作为所述分离模块的输入端；所述电阻R 4的第二端与所述电阻R1 1的第一端、放大器U 2的正向输入端连接；所述电阻R11的第二端接地；所述电阻R1 2的第一端与所述电容C 2的第二端连接；所述电阻R1 2的第二端与所述电阻R1 3的第一端、放大器U 2的反相输入端连接；所述电阻R1 3的第二端与所述放大器U 2的输出端连接，并作为减频单元的输出端与所述低频放大模块连接。

进一步的，所述高频放大模块包括电阻R 3、电阻R 5、电阻R 7、电阻R 9、电阻R10、放大器U 3、电容C 3、电容C 4、电容C 6和变压器T1；所述电阻R 3的第一端作为所述高频放大模块的输入端与所述分离模块连接，第二端与所述放大器U 3的正向输入端连接；所述放大器U 3的反向输入端与所述电阻R 5的第一端、电阻R 9的第一端、电容C 4的第一端、电阻R 7的第一端、电容C 3的第一端连接；所述电阻R 5的第二端接地；所述电容C 3的第二端与所述电阻R 7的第二端、电容C 6的第一端连接；所述电容C 6的第二端与所述混频模块连接；所述电容C 4的第二端与所述电阻R1 0的第一端连接；所述电阻R1 0的第二端与所述电阻R 9的第二端、放大器U 3的输出端、变压器T1输入侧的第一端连接；所述变压器T1输入侧的第二端接地；所述变压器T1输出侧的第一端作为所述高频放大模块的输出端，第二端接地。

进一步的，所述低频放大模块包括电阻R1 4、放大器U 4、电阻R 6、电阻R 8和电容C 5；所述电阻R1 4的第一端作为所述低频放大模块的输入端与所述分离模块连接，第二端与放大器U 4的正向输入端连接；所述电阻R 6的第一端与所述电容C 5的第一端连接后接地；所述电阻R 6的第二端与所述电容C 5的第二端、电阻R 8的第一端、放大器U 4的反向输入端连接；所述电阻R 8的第二端与所述混频模块连接；所述放大器U 4的输出端作为所述低频放大模块的输出端与所述混频模块连接。

进一步的，所述混频模块包括电容C 7、电感器L F 1和电阻R1 5；所述电容C 7的第一端与所述变压器T1输出侧的第一端连接；所述电容C 7的第二端与所述电感器L F 1的第二端、电阻R1 5的第一端连接后，作为所述混频模块的输出端输出混频信号；所述电感器L F 1的第一端与所述放大器U 4的输出端连接；所述电阻R15的第二端接地。

一种测试设备，包括如上所述的混频复合型电压放大电路。

有益效果：

1.本方案采用并联的方法，将低频段信号和高频段信号分离之后，再分别进行功率放大，最后再合并。低频放大模块只需要放大低频段的信号，它是一个带宽很低的放大器U 4，这使得它结构较为简单、电路的生产调试较为容易。同样的，高频放大模块只需要放大高频段信号进行功率放大，这样就实现了对宽频信号的放大，通过高低频并联输出的方式，可以使得电路稳定工作在更高的电压。

2.在高频放大模块内部用变压器T1输出来提高电压，用低压的放大器U 3来驱动变压器T1，放大器U 3用于进行高频低压放大，然后输出高频低压信号驱动变压器T1，便可以得到高频高压信号，通过设计新的组合结构，在成本要求较低的前提下可以实现传统方案难以实现的宽电压放大目标，可以使得电路稳定工作在更高的电压。

3.在混频模块中，与高频部分对接的是通过串联电容C 7输出，与低频部分对接的是通过串联电感器L F 1输出，电容C 7、电感器L F 1两者并联。电容C 7通高频段信号阻低频段信号，可以防止低频段信号倒灌，形成内耗；同理电感器L F 1通低频段信号阻高频段信号，也可阻止高频段信号倒灌形成内耗。于是就在混频模块中实现了高、低频段信号的混合、高低频交错并联。

4.混频复合型电压放大电路可以分解为三部分：第一部分是输入信号处理，首先它将输入信号进行带宽限制和信号放大，即低通滤波后得到需要的带通信号；然后对带通信号进行高通滤波，得到带通信号中的高频段信号输入高频放大器进行功率放大；再将带通信号减去高频段信号，得到低频段信号输入低频放大器进行功率放大。第二部分是放大功能部分，包括高频放大模块和低频放大模块；高频放大模块由传统放大器驱动变压器进行电压放大，形成闭环；低频放大模块采用传统放大器实现串联输出。第三部分为混频处理，使分别放大后的信号重新合成在一起，最终实现对宽频信号的高压、大功率放大功能。

附图说明

图1为一种混频复合型电压放大电路的模块结构示意图；

图2为一种混频复合型电压放大电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

实施例一

如图1和图2所示为一种混频复合型电压放大电路的结构示意图，包括：

分离模块；所述分离模块用于对输入信号进行高低频分离，以得到高频段信号和低频段信号；

低频放大模块；所述低频放大模块与所述分离模块连接，以对低频段信号进行功率放大，得到低频段高压信号；

高频放大模块；所述高频放大模块与所述分离模块连接，以对高频段信号进行放大功率放大，以得到高频段高压信号；所述高频放大模块内部设有放大器驱动变压器结构；

混频模块；所述混频模块分别与所述低频放大模块和高频放大模块连接，以对放大后的高频段高压信号和低频段高压信号进行混频，以输出混频高压信号。

本方案采用并联的结构，在分离模块将低频段信号和高频段信号分离之后，通过低频放大模块和高频放大模块分别进行功率放大，最后在混频模块进行合并。低频放大模块只需要放大低频段的信号到高压，它采用一个带宽很低的功率放大器U 4，这使得它结构较为简单、电路的生产调试较为容易。同样的，高频放大模块只需要放大高频段信号到高压，这样就实现了对整个宽频信号的功率放大。同时，在高频放大模块内部采用分级放大方式，实现传统方案难以实现的高频高压放大目标。

具体实施中，还包括带通模块；所述带通模块与所述分离模块连接，带通模块用于将外部输入的信号进行带通滤波，并将得到的带通信号输入分离模块；所述带通模块对输入信号进行带通滤波和信号放大，并输出需要的带通信号到分离模块。进一步的，所述带通模块包括电阻R1、放大器U1、电阻R 2和电容C 1；其中放大器U1为信号放大器；所述电阻R1的第一端作为带通模块的输入端，第二端与所述放大器U1的正向输入端连接；所述放大器U1的反相输入端与输出端、电阻R 2的第一端连接；所述电阻R 2的第二端与所述电容C1的第一端连接后，作用为带通模块的输出端；所述电容C1的第二端接地。带通模块用于对输入信号进行带宽限制，以选择需要进行放大的频段范围，同时对输入的信号进行放大，防止不需要的频段信号(如干扰信号等)进入放大电路。

具体实施中，所述分离模块包括高通滤波单元和减频单元；所述高通滤波单元用于对输入的带通信号进行高通滤波得到高频段信号；所述减频单元与所述高通滤波单元连接，用于将输入的带通信号减去高频段信号以得到低频段信号；所述高通滤波单元与所述高频放大模块连接以输出高频段信号；所述减频单元与所述低频放大模块连接以输出低频段信号。

具体实施中，所述高通滤波单元包括电容C 2；所述电容C 2的第一端作为所述高通滤波单元的输入端，第二端作为所述高通滤波单元的输出端与所述高频放大模块连接，电容C2串接在电路中，可以起到通高频、阻低频的作用。

具体实施中，所述减频单元包括电阻R 4、电阻R1 1、电阻R1 2、电阻R1 3和放大器U 2；所述放大器U 2为运算放大器；所述电阻R 4的第一端与所述电容C 2的第一端连接，以作为所述分离模块的输入端；所述电阻R 4的第二端与所述电阻R1 1的第一端、放大器U 2的正向输入端连接；所述电阻R1 1的第二端接地；所述电阻R1 2的第一端与所述电容C 2的第二端连接；所述电阻R1 2的第二端与所述电阻R1 3的第一端、放大器U 2的反相输入端连接；所述电阻R1 3的第二端与所述放大器U 2的输出端连接，并作为减频单元的输出端与所述低频放大模块连接。在本实施例中，带通信号从电阻R 4进入减频单元，高频段信号从电阻R12，在放大器U2相减后得到低频段信号，并输出到低频放大模块。

具体实施中，所述高频放大模块包括电阻R3、电阻R5、电阻R7、电阻R9、电阻R10、放大器U3、电容C3、电容C4、电容C6和变压器T1；所述电阻R3的第一端作为所述高频放大模块的输入端与所述分离模块连接，第二端与所述放大器U3的正向输入端连接；所述放大器U3的反向输入端与所述电阻R5的第一端、电阻R9的第一端、电容C4的第一端、电阻R7的第一端、电容C3的第一端连接；所述电阻R5的第二端接地；所述电容C3的第二端与所述电阻R7的第二端、电容C6的第一端连接；所述电容C6的第二端与所述混频模块连接；所述电容C4的第二端与所述电阻R10的第一端连接；所述电阻R10的第二端与所述电阻R9的第二端、放大器U3的输出端、变压器T1输入侧的第一端连接；所述变压器T1输入侧的第二端接地；所述变压器T1输出侧的第一端作为所述高频放大模块的输出端，第二端接地。

放大器U3为功率放大器，可以对高频段信号进行低压放大。变压器T1可以对高频段信号进行稳定放大，并输出高频高压信号，但通常的弱信号无法驱动；因此采用放大器U3对高频段信号电压进行初步放大，得到稳定的高频段低压信号并输入串联的变压器T1，以得到稳定的高频段高压信号。在高频放大模块内部用放大器U3对高频段信号进行功率放大，得到高频低压信号用于驱动变压器T1，变压器T1再进行放大得到最终稳定的高频段高压信号；通过设计新的组合结构，在成本要求较低的前提下可以实现传统方案难以实现的对高频信号进行稳定的高压放大目标。本实施例中，电容C3作为高频放大模块的环路补偿，增加高频放大电路的稳定性；电阻R7、电容C6作为环路反馈，其中电容C6的第二端与电容C7的第一端连接，而不是连接在电容C7和变压器T1之间，是为了改善输出阻抗；电容C6还可以过滤低频段信号(0-20Hz)，防止低频段信号影响放大器U3。而电容C4以及电阻R10可以限制放大器U3的高频增益(如5kHz的增益)，增加稳定性。

具体实施中，所述低频放大模块包括电阻R1 4、放大器U 4、电阻R 6、电阻R 8和电容C 5；其中放大器U 4为功率放大器；所述电阻R1 4的第一端作为所述低频放大模块的输入端与所述分离模块连接，第二端与放大器U 4的正向输入端连接；所述电阻R 6的第一端与所述电容C 5的第一端连接后接地；所述电阻R 6的第二端与所述电容C 5的第二端、电阻R 8的第一端、放大器U 4的反向输入端连接；所述电阻R 8的第二端与所述混频模块连接；所述放大器U 4的输出端作为所述低频放大模块的输出端与所述混频模块连接。低频段信号输出电压由低频放大器U4决定，因为频率较低，可以实现稳定的低频段高压输出，实现串联输出但不仅限的参数是D C-1kH z/±1 5k V/2 0 0W。进一步的，所述电阻R 6和电阻R 8构成低频放大模块的反馈电路；电阻R 8的第二端与电感器L F 1的第二端连接，用于降低放大器U4的输出阻抗；电容C 5用来滤除反馈进来的高频段信号(20-5kHz)，防止对放大器U4进行干扰。

具体实施中，所述混频模块包括电容C 7、电感器L F 1和电阻R1 5；所述电容C 7的第一端与所述变压器T1输出侧的第一端连接；所述电容C 7的第二端与所述电感器L F 1的第二端、电阻R1 5的第一端连接后，作为所述混频模块的输出端输出混频信号；所述电感器L F 1的第一端与所述放大器U 4的输出端连接；所述电阻R1 5的第二端接地。在混频模块中，与高频部分对接的是通过串联电容C 7输出，与低频部分对接的是通过串联电感器LF 1输出，电容C 7、电感器L F 1两者并联。电容C 7通高频段信号阻低频段信号，可以防止低频段信号倒灌，形成内耗；同理电感器L F 1通低频段信号阻高频段信号，也可阻止高频段信号倒灌形成内耗。于是就在混频模块中实现了高、低频段信号的混合、高低频交错并联。

本实施例的方案，可以实现3 0k V p-p,D C 0-5kH z的输出，而现有技术中采用成本较高的处理器模式最高也只能做到输出2.4k V p-p，D C 0-5kH z。本实施例方案相比现在技术方案，不但器件成本大幅度降低，而且大幅度提高了宽频、尤其是包含高频段信号的高压输出能力。

实施例二

一种测试设备，包括实施例一所述的混频复合型电压放大电路。

本申请提供一种混频复合型电压放大电路，包括：分离模块；所述分离模块用于对输入信号进行高低频分离，以得到高频段信号和低频段信号；低频放大模块；所述低频放大模块与所述分离模块连接，以对低频段信号进行放大；高频放大模块；所述高频放大模块与所述分离模块连接，以对高频段信号进行放大；所述高频放大模块内部设有放大器驱动变压器结构；混频模块；所述混频模块分别与所述低频放大模块和高频放大模块连接，以对放大后的高频段信号和低频段信号进行混频，以输出混频信号。混频复合型电压放大电路可以分解为三部分：第一部分是输入信号处理，首先它将输入信号进行带宽限制，即低通滤波后得到需要的带通信号；然后对带通信号进行高通滤波，得到带通信号中的高频段信号输入高频放大器；再将带通信号减去高频段信号，得到低频段信号输入低频放大器。第二部分是放大功能部分，包括高频放大模块和低频放大模块；高频放大模块由放大器驱动变压器进行电压放大，形成闭环；低频放大模块采用放大器实现，实现串联输出。第三部分为混频处理，使分别放大后的信号重新合成在一起，最终实现对宽频信号的放大功能，通过高低频并联输出的方式，可以使得电路稳定工作在更高的电压。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中间”、“长度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，不经过创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。