Приборы и техника эксперимента, 2020, № 1, стр. 52-54

При разработке прибора для измерения вольт-амперных характеристик высокоомных структур наиболее проблемным оказался высоковольтный (в.в.) усилитель. Промышленные в.в.-усилители, например, фирмы APEX [1] рассчитаны на мощные нагрузки. В.в.-усилитель [2], выполненный по схеме модулятор–в.в.-трансформатор 1:100–демодулятор, не имеет стабилизирующей обратной связи, поэтому выходное напряжение сильно зависит от нагрузки, кроме того, его электрическая схема достаточно громоздка. В.в. линейные усилители [3] рассчитаны на мощные киловольтовые нагрузки и имеют большое время установления масштаба миллисекунд.

Разработанный в.в.-усилитель содержит интегральный операционный усилителъ (о.у.) и секцию в.в.-транзисторов, причем сигнал для возбуждения секции в.в.-транзисторов снимается с выводов питания о.у. Такая схема в.в.-усилителя известна [4], однако практическая реализация и методика расчета на напряжение до 500 В отсутствуют. Принципиальная схема усилителя приведена на рис. 1. Эксперименты показали, что такая схема обеспечивает более высокие динамические характеристики и лучшую устойчивость по сравнению с использованием выхода о.у. для возбуждения секции в.в.-транзисторов.

Исследовались усилители с двумя широко распространенными о.у.: прецизионный AD2177, имеющий ток питания 0.4 мА и единичную полосу частот 1.3 МГц, и TL082 – ток питания 1.4 мА, единичная полоса частот 5 МГц. Отметим, что применение микросхем сдвоенных о.у. здесь необязательно.

Транзисторы Т₁, Т₂ работают в режиме повторителя тока, транзисторы Т₃, Т₄ – в режиме генератора тока. В.в.-усилитель на рис. 1 можно рассматривать как двухкаскадный. Выход 1-го каскада с резистора R₄ преобразуется транзистором Т₃ в ток с коэффициентом

где U_о.у. – напряжение на выходе о.у. Здесь и далее полагаем, что “положительная” и “отрицательная” части схемы рис. 1 симметричны, а ток покоя о.у. не учитывается, поскольку он не участвует в формировании выходного сигнала.

При разомкнутой обратной связи модули амплитудно-частотной характеристики (а.ч.х.) 1-го и 2-го каскадов в.в.-усилителя определяются по следующим выражениям:

где К_о.у. = модуль а.ч.х. о.у.,  f_t – частота единичного усиления о.у., К₀ = R_о/R₇ – коэффициент усиления 2-го каскада на постоянном токе, R_o – параллельное соединение выходного сопротивления усилителя, нагрузки и резистора обратной связи R₆, f_s = 2С_кR_о – частота среза (полюса) второй ступени, С_к – емкость коллектора транзисторов Т₃, Т₄. Экспериментально полученное значение выходного сопротивления транзисторов Т₃, Т₄ ~ 250 кОм на частоте 50 кГц, частота среза выходного каскада 50 кГц.

А.ч.х. усилителя двухполюсная, следовательно, даже при малом коэффициенте обратной связи R₁/R₆ (большом усилении), при замыкании цепи обратной связи возможна неустойчивая работа, чему способствует емкостная нагрузка. Корректирующий конденсатор С₁ и резистор R₆ формируют корректирующий нуль а.ч.х. на частоте f_кор = = 1/(2πR₆C₁).

Усилитель с использованием о.у. AD2177 менее устойчив и требует более высокого значения корректирующего конденсатора по сравнению с вариантом, использующим о.у. TL082. Типичны для емкостной нагрузки до 30 пФ значения С₁ = = 2.7 пФ и 4.3 пФ соответственно для о.у. TL082 и AD2177. При отсутствии емкостной нагрузки в.в.-усилитель на о.у. TL082 может работать без коррекции. При неопределенной емкости нагрузки значение корректирующей емкости необходимо подбирать или использовать переменный конденсатор емкостью 2–10 пФ для TL082 и 4–20 пФ для AD2177. Подстройка осуществляется при подаче на вход импульса и достижения желаемой формы переходной характеристики усилителя.

Максимальный выходной ток I_макс при закороченном на нуль выходе и максимальная скорость нарастания выходного напряжения V_нар определяются соотношениями:

где U_отс – выходное напряжение отсечки о.у. (U_отс = 5.5 В для рис. 1), С_out – полная выходная емкость усилителя. Полоса частот в.в.-усилителя на о.у. TL082 равна 60 кГц при R_н = 100 кОм, C_н = = 130 пФ, С₁ = 4.3 пФ. На рис. 2 представлена осциллограмма выходного импульса в.в.-усилителя на о.у. TL082 при названных выше условиях. Частотные свойства усилителя определяются, в основном, выходным каскадом на транзисторах и подбором корректирующей емкости, поэтому частотная характеристика в.в.-усилителя на о.у. AD2177 ненамного ниже приведенной для усилителя на о.у. TL082. Приведенное ко входу в.в.-усилителя смещение нуля равно 4 мВ для усилителя на о.у. TL082 и <100 мкВ для усилителя на о.у. AD2177.

Экспериментально обнаружено искажение выходного сигнала в усилителе на о.у. AD2177. Искажения хорошо просматриваются (как и остальные переходные процессы) на инверсном входе о.у. и имеют вид положительных и отрицательных импульсов постоянной площади – при повышении частоты синусоидального сигнала амплитуда растет, а длительность уменьшается, и наоборот. Вид искажений при подаче на вход синусоидального сигнала показан на осциллограмме рис. 3. Источником искажений является “обнуление” тока транзисторов Т₃, Т₄, когда “отрицательный” выходной ток усилителя равен режимному току о.у., а выходное напряжение о.у. равно нулю. В однополярном включении, при положительном выходном напряжении, данный эффект отсутствует. В усилителе на о.у. TL082 указанный эффект не наблюдается на рабочих частотах. При сравнении двух рассмотренных вариантов построения в.в.-усилителя на базе о.у. видно, что усилитель на о.у. AD2177 имеет очень малое смещение и дрейф нуля, но требует более тщательного подбора корректирующей емкости и может работать только в однополярном режиме.

Источник питания, схема которого приведена на рис. 4, имеет в своем составе первичный источник питания – сетевой адаптер +12 В с последующим стабилизатором, зарядовый инвертор на –12 В (микросхема М₁), линейные стабилизаторы М₂, М₃. Источник высокого напряжения +300 В выполнен по схеме повышающего обратноходового преобразователя, в котором роль накопительного дросселя выполняет первичная обмотка трансформатора Тр. Микросхема преобразователя М₄ дополнительно содержит компоненты, позволяющие регулировать выходное напряжение. В момент запирания ключевого транзистора на его стоке (выводе SV в М₄) формируется импульс, амплитуда которого равна выходному напряжению, деленному на коэффициент трансформации. Этот уровень фиксируется, преобразуется в ток и используется в петле обратной связи для регулировки выходного напряжения, равного R₁/R₂ вольт. Источник питания –300 В аналогичен источнику +300 В. Более простое решение доступно при использовании нового продукта – трансформатора с двумя вторичными обмотками SUMIDA 10380-T030. При работе в однополярном режиме источники +300 В и –300 В соединяются последовательно, на оставшийся вывод в.в.-усилителя подается 12 В.

Описанный в.в.-усилитель используется для измерения вольт-амперных характеристик и импеданса высокоомных структур.