2012-05-08 PA94 高頻高壓放大器 黎煥欣 及 各個使用 PA94 的單位與個人
某些情況下, 我們會需要使用到高壓的情況很多. 不過大部份是直流高壓 (高壓電源) 或脈衝型的高壓. 但在某些情況下, 我們會需要一個連續可變的高壓操作, 如 PZT 或 質譜儀內的電場 Trapper, 都要用到連續變化的高壓. 若用離散元件來做. 對一般而言是極大的挑戰. 於是就有公司開發專門用在這種用途的 power amp. APEX 公司的 PA 系列產品就是做為這種用途. 而當中規格最好的就是 PA94.
PA94 可以提供達 +-430V 輸出 (配合 +-450V 電源) , 在 +-430V 電源的情況下, 可以提供 +-400V, 800Vpp 的輸出. GBW 為 140MHz, 全功率輸出頻寬為 300KHz . 而且它的使用方法, 如下圖的規格書的範例所示, 與一般 OP 沒有什麼不同, 就是一個反相放大器. 而且可以直流操作. 就直觀起來, 用起來是很方便的. 但即然是高壓-高頻 -> 高功率 -> 高價錢 -> 高熱量 -> 高敏感度 -> 高損壞率. 它一個的價錢大約就 一萬到一萬五之間, 只要誤操作, 電源沒接好, 或是讓它起了振盪熱飆, 或是散熱不足讓它熱壞. 十幾張千元大鈔就不見了. 心痛...
所以我寫這篇文章就是要大約描述它的操作方法, 如何不要搞壞它. 又是花一大把錢. 希望將來用離散元件做類似線路的努力 (我們交給了精儀中心) . 不要一燒就一大把錢就沒了.
我們就先說如何裝設它的測試環境, 第一件事就是準備電源. 因為它的用途都是用在高精度, 低雜音的操作下, 為了要測試出它的極限, 我們使用了還滿好的日製高壓電源 muRata 的 S 系列
它可以提供 +-600V 的電源, Ripple 也算小, 因為我們要用的功率還滿大的. 所以我們用 S15-0.6P, N 各一對, 各自產生正負電壓. 而它們也提供一個輸入端子調整輸出的高壓. 這裡我們就調到 +-430V (PA94 最多可以供給 +- 450V. 就用安全一點的係數)
這是高壓電源供應器控制電壓及輸入電源 (它用 24V 做為輸入電壓) 的端子. 它很好心的提供了一個5V 輸出, 這樣只要用一個可變電阻就可以控制它的輸出電壓了
所以它的電源正負各敦一個, 加入 24V 及可變電阻, 確認輸出的電壓. 如下是設到 -350V, 在大部份的應用中, PA94 用的是對稱電源, 不過一如所有的 OP , 不對稱也可以. 不過現在先就對稱著用.
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接下來就是要讓 PA94 上線了, 它的包裝是 SIP12 型的功率電晶體樣, 但以它可能發出的熱量, 它實在太小了, (在某些情況下, 它的熱輸出可以達到 60W, 可以想像它會熱到什麼程度) . 但只用了8 根腳. 除了該有的 V+, V-, Vin+, Vin- , Vout 之外, 最主要的是多了 Cc1, Cc2 及 Ilm 三根腳, 這三根腳的正確使用干係它的操作能力及會不會燒壞有很大的關係.
要正確的操作它, 第一個要注意的就是挎接在 Cc1 , Cc2 之間的補償電容. 上圖中有標示建議值在 Gain x100, x50, x10 之時, 為 2.2pF, 4.7pF 及 22pF, 上面雖然說是建議值. 但比較精確的說法應該是 "最小值" 若小於這些值, PA94 就會非常容易起振盪. 而且不小心振得大久 (數分鐘) 它就燒掉了. 不過一但加大電容, 它的頻寬就會變少. 所以要如何設 定它的值要仔細旳考慮. 下圖就是 Cc 與 Power Response 的關係, 若要它能夠快速的操作, 則電容值要小, 但使用者常想就把電容設在 2.2pF 就可以了. 但卻忘了此時 GAIN 要 > 100, 若是低的 GAIN 值 (ex. X15...), 它就會進入不穲定的狀態. 這是最常犯的錯誤.
再者就是 Cc 的撰用. 因為它會跨距整個電源電壓. 所以使用的電容要在 KV 的耐壓以上. 不過這種電容一般沒有如 2pF 這麼小的容值. 所以只好買大容值串聯. 目前光華商場我只有找到一家金華電子有賣 10pF KV 級耐壓的. 下圖中 Diode 旁邊幾個藍色電容就是 10pF 1.5KV 的高壓電容. 另外要注意的是一般的 0805 電容耐壓在 50V ~ 100V 左右. 讀者會想那串聯時耐壓就串聯了, 對電阻而言這話沒錯 (一般 0805 電阻的耐壓也在 100V 左右), 因為電壓降會瞬間均勻的分布在每一個電阻上, 但電容會先 charge 在一個電容上, 接者再 charge 下一個電容. 而在 Charge 個別電容時. 每個電容的壓降就會是端點的壓降. 所以容值可以用串並聯的方式處理. 但耐壓不能.
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