Техніка та енергетика

Методи формування високої напруги шляхом каскадування підсилювачів

Артем Довгаль, Юліан Туз
Завантажити статтю
Анотація

Метою даного дослідження було створення нової моделі високовольтного вимірювального підсилювача, яка б включала кілька каскадів операційних підсилювачів для збільшення діапазону робочої напруги шляхом послідовного «віртуального» підключення вихідних напруг кожного з каскадів. Методологія дослідження включала використання каскадного з’єднання підсилювачів, схеми адитивної корекції похибки, а також моделювання та розрахункових досліджень для оптимізації конструкції високовольтних операційних підсилювачів. Результати дослідження показали, що використання високовольтних операційних підсилювачів РА94 забезпечує високу стабільність і точність вихідного сигналу навіть при змінних навантаженнях. Каскадне з’єднання підсилювачів дозволило розширити частотний діапазон та збільшити робочу напругу, що підвищило ефективність їх роботи. Застосування схеми адитивної корекції похибки значно зменшило спотворення сигналу, підвищивши його якість. Моделювання та розрахункові дослідження оптимізували конструкцію підсилювачів, що сприяло досягненню високих технічних характеристик. Завдяки поєднанню цих методів було створено надійну систему з поліпшеними параметрами. Підсилювачі показали перспективність для широкого спектру промислових і наукових застосувань. Вони здатні працювати в складних умовах із високою точністю. Дослідження підтвердило важливість інтеграції сучасних технологій у розвиток електронних систем. Розрахункові дослідження нової моделі високовольтного вимірювального підсилювача демонструють, що застосування кількох каскадів операційних підсилювачів разом зі схемою адитивної корекції похибок дозволяє значно розширити частотний діапазон підсилювача та збільшити робочий інтервал напруг, що призводить до покращення якості вимірювань

Ключові слова

високовольтний вимірювальний пристрій, опір, діапазон, калібратор, електроніка

ЦИТУВАТИ
Dovhal, A., & Tuz, Yu. (2024). Methods of high voltage generation by cascading amplifiers. Machinery & Energetics, 15(4), 106-117. https://doi.org/10.31548/machinery/4.2024.106
Використані джерела

[1] Apex Microtechnology. (2024). Retrieved from https://www.apexanalog.com/company/about.html

[2] Asha, N., & Dahiya, S. (2022). Optimization of high frequency radio over fiber system using cascaded amplifier and dispersion compensation fiber. Journal of Optics, 52(3), 1552-1565. doi: 10.1007/s12596-022-00988-9.

[3] Bagatskyi, V., Bohomolov, S., & Zakharchenko, S. (2023). High-line voltage buffers for high-performance ADCS and DACS. Information Technologies and Computer Engineering, 20(1), 44-51. doi: 10.31649/1999-9941-2023-56-1-44-51.

[4] Bai, N., Li, X., & Xu, Y. (2021). A low-voltage, ultra-low-power, high-gain operational amplifier design for portable wearable devices. Electronics, 11(1), article number 74. doi: 10.3390/electronics11010074.

[5] Bohler, J., Huber, J., Wurz, J., Stransky, M., Uvaidov, N., Srdic, S., & Kolar, J.W. (2022). Ultra-high-bandwidth power amplifiers: A technology overview and future prospects. IEEE Access, 10, 54613-54633. doi: 10.1109/ACCESS.2022.3172291.

[6] Bondarenko, I.N., Bliznyuk, I.Yu., & Gorbenko, E.A. (2019). Microwave irregular resonant structures. Telecommunications and Radio Engineering, 78(5), 385-392. doi: 10.1615/TelecomRadEng.v78.i5.20.

[7] Bondarenko, I.N., Gorbenko, E.A., & Krasnoshchok, V.I. (2018). Microwave switch based on a combined coaxial-waveguide tee for a cavity pulse shaper. Telecommunications and Radio Engineering, 77(5), 391-397. doi: 10.1615/TelecomRadEng.v77.i5.30.

[8] Boroujeni, S.R., Basaligheh, A., Ituah, S., Nezhad-Ahmadi, M., & Safavi-Naeini, S. (2020). A broadband high-efficiency continuous class-ab power amplifier for millimeter-wave 5G and SATCOM phased-array transmitters. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 68(7), 3159-3171. doi: 10.1109/tmtt.2020.2983703.

[9] Chen, J., Xu, W., Zuo, W., Mei, X., Zhou, L., Xu, M., Wang, L., Wu, W., Liu, Y., & Peng, J. (2022). A 50 dB high-gain operational amplifier integrated with metal-oxide TFTs. Semiconductor Science and Technology, 37(10), article number 105010. doi: 10.1088/1361-6641/ac8bec.

[10] Davidson, A., & Krishnaswamy, H. (2024). Phased-array-compatible area-efficient d-band power amplifiers in 45 RF SOI based on cascade stacking. In 2024 IEEE radio frequency integrated circuits symposium (RFIC) (pp. 191-194). Washington: IEEE. doi: 10.1109/RFIC61187.2024.10599988.

[11] Dovhal, A. (2023). High voltage measurement amplifier. Modern Engineering and Innovative Technologies, 1(29-01), 19-24. doi: 10.30890/2567-5273.2023-29-01-064.

[12] Dovhal, A., & Tuz, Y. (2024). High voltage formation using the amplifiers cascading method. Measurements Infrastructure, 8. doi: 10.33955/v8(2024)-060.

[13] High-voltage non-inverting broadband cascade amplifier: Utility model patent. (2023). Retrieved from https://sis.nipo.gov.ua/uk/search/detail/1718340.

[14] Hu, J., & Ma, K. (2021). Analysis and design of a broadband receiver front end for 0.1-to-40-GHz application. IEEE Transactions on Circuits and Systems I Regular Papers, 68(6), 2393-2403. doi: 10.1109/TCSI.2021.3064262.

[15] Hula, V., & Hryha, V. (2024). Analysis of the current state of the art of sensors for inertial navigation of unmanned aerial vehicles. Technologies and Engineering, 25(4), 29-47. doi: 10.30857/2786-5371.2024.4.3.

[16] Ihlenfeld, W.G.K. (2005). A simple, reliable, and highly stable AC voltage amplifier for calibration purposes. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 54(5), 1964-1967. doi: 10.1109/tim.2005.853229.

[17] Jung, H., Utomo, D.R., Han, S., Kim, J., & Lee, S. (2020). An 80 MHz bandwidth and 26.8 dBm OOB IIP3 transimpedance amplifier with improved nested feedforward compensation and multi-order filtering. IEEE Transactions on Circuits and Systems I Regular Papers, 67(10), 3410-3421. doi: 10.1109/tcsi.2020.2991772.

[18] Junglas, S., & Maas, J. (2021). Cost-efficient and high-precision HV amplifier for driving DE loudspeakers. SPIE, 11587, article number 115871J. doi: 10.1117/12.2584754.

[19] Lee, S., Su, P., Huang, K., Hung, Y., & Chen, J. (2021). High-pass sigma-delta modulator with techniques of operational amplifier sharing and programmable feedforward coefficients for ECG signal acquisition. IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, 15(3), 443-453. doi: 10.1109/tbcas.2021.3082545.

[20] Liu, J., Zhang, D., Wang, M., Huang, L., & Zhao, D. (2016). A cascaded linear High-Voltage amplifier circuit for dielectric measurement. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 63(3), 1834-1841. doi: 10.1109/tie.2015.2498129.

[21] Medyanyi, L.P. (2017). Analog circuitry. Kyiv: Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute.

[22] Mehrotra, U., & Hopkins, D.C. (2023). Methodologies of cascading to realize high-voltage cascaded super cascode power switch. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 11(6), 5853-5862. doi: 10.1109/jestpe.2023.3314025.

[23] Montaseri, M.H., Aikio, J.P., Rahkonen, T., & Parssinen, A. (2022). Analysis and design of capacitive voltage Distribution stacked MOS Millimeter-Wave power amplifiers. IEEE Transactions on Circuits and Systems I Regular Papers, 69(9), 3540-3553. doi: 10.1109/tcsi.2022.3185301.

[24] Mosalam, H., Xiao, W., & Pan, Q. (2021). A 50-82 GHz broadband cascode-based power amplifier in 40 nm CMOS. AEU – International Journal of Electronics and Communications, 137, article number 153824. doi: 10.1016/j.aeue.2021.153824.

[25] Nguyen, N.L.K., Killeen, N.S., Nguyen, D.P., Stameroff, A.N., & Pham, A. (2020). A wideband Gain-Enhancement technique for distributed amplifiers. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 68(9), 3697-3708. doi: 10.1109/tmtt.2020.3006165.

[26] Pan, H., Zhou, F., Wang, K., Ma, Y., Zhang, H., & Zhang, C. (2019). Optimum design of a new high voltage cascaded amplifier based on OPA454. In 2019 IEEE 4th international conference on integrated circuits and microsystems (pp. 263-269). Beijing: IEEE. doi: 10.1109/ICICM48536.2019.8977178.

[27] Panov, A., & Tymchuk, S. (2023). Model for regulating electricity quality indicators in 0.4-10 kV distribution networks. Bulletin of Cherkasy State Technological University, 28(2), 13-23. doi: 10.24025/2306-4412.2.2023.275897.

[28] Park, J., Kang, S., & Hong, S. (2020). Design of a Ka-Band Cascode power amplifier linearized with Cold-FET interstage matching network. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 69(2), 1429-1438. doi: 10.1109/tmtt.2020.3040385.

[29] Petricli, I., Lotfi, H., & Mazzanti, A. (2021). Analysis and design of D-Band Cascode SIGE BiCMOS amplifiers with Gain-Bandwidth product enhanced by load reflection. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 69(9), 4059-4068. doi: 10.1109/tmtt.2021.3094468.

[30] Roberts, P.C.A. (2007). Developments in high bandwidth power amplifier technology for compact cost-effective calibrator applications. Retrieved from https://s3.amazonaws.com/download.flukecal.com/pub/literature/dev_in_high_bw_p_amp_tech.pdf

[31] Roongmuanpha, N., Faseehuddin, M., Herencsar, N., & Tangsrirat, W. (2021). Tunable mixed-mode voltage differencing buffered amplifier-based universal filter with independently high-Q factor controllability. Applied Sciences, 11(20), article number 9606. doi: 10.3390/app11209606.

[32] Sahoo, S., Murthy, G.R., Ramesh, S., & Anitha, G. (2022). Hybrid CMOS-Memristor based operational transconductance amplifier for high frequency applications. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 53, article number 102506. doi: 10.1016/j.seta.2022.102506

[33] Sedov, S.O. (2017). Signal processing based on operational amplifiers. Circuitry. Kyiv: Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute.

[34] Shailesh, N., Srivastava, G., & Kumar, S. (2021). A state-of-the art review on distributed amplifiers. Wireless Personal Communications, 117, 1471-1525. doi: 10.1007/s11277-020-07932-9.

[35] Smailov, N., Tsyporenko, V., Sabibolda, A., Tsyporenko, V., Kabdoldina, A., Zhekambayeva, M., Kuttybayeva, A., Bektilevov, A., Kassimov, A., & Abdykadyrov, A. (2023). Improving the accuracy of a digital spectral correlation-interferometric method of direction finding with analytical signal reconstruction for processing an incomplete spectrum of the signal. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(9(125)), 14-25. doi: 10.15587/1729-4061.2023.288397.

[36] Song, I., Ryu, G., Jung, S.H., Cressler, J.D., & Cho, M. (2023). Wideband SiGe-HBT low-noise amplifier with resistive feedback and shunt peaking. Sensors, 23(15), article number 6745. doi: 10.3390/s23156745.

[37] Tarar, M.M., Qayyum, S., Ali, A., & Negra, R. (2024). Loss-compensated cascaded multistage distributed power amplifier in 65Nm CMOS technology. IEEE Access, 12, 98917-98927. doi: 10.1109/access.2024.3427687.

[38] Tuz, Y.M. (2012). System for measurement and study of electrical parameters in energy saving electrical converters. Retrieved from https://report.kpi.ua/files/2456-p.pdf.

[39] Wang, Z., Wang, X., & Liu, Y. (2023). A wideband power amplifier in 65 nm CMOS covering 25.8 GHz-36.9 GHz by staggering tuned MCRs. Electronics, 12(17), article number 3566. doi: 10.3390/electronics12173566.

[40] Xu, L., Li, H., Li, P., & Ge, C. (2020). A high-voltage and low-noise power amplifier for driving piezoelectric stack actuators. Sensors, 20(22), article number 6528. doi: 10.3390/s20226528.

[41] Zhao, C., Duan, D., Xiong, Y., Liu, H., Yu, Y., Wu, Y., & Kang, K. (2022). A K-/Ka-Band broadband Low-Noise amplifier based on the multiple resonant frequency technique. IEEE Transactions on Circuits and Systems I Regular Papers, 69(8), 3202-3211. doi: 10.1109/tcsi.2022.3174292.

[42] Zhu, H., Zhu, H., Yu, C., Chang, G., Wang, F., Chen, J., Li, L., Davies, A.G., Linfield, E.H., Tang, Z., Chen, P., Lu, W., Xu, G., & He, L. (2020). Modeling and improving the output power of terahertz master-oscillator power-amplifier quantum cascade lasers. Optics Express, 28(16), article number 23239. doi: 10.1364/oe.395227.