用于離子注入機的高壓放大器的研制

金則軍

(北京爍科中科信電子裝備有限公司長沙分公司，湖南 長沙 410000)

在整個半導體芯片制造中，至少需要幾十道加工工序，涉及各種半導體設備。隨著半導體產業不斷深化，半導體設備行業愈加引起重視，通過對一系列重點工藝和技術進行攻關，有效促進了我國半導體設備行業的發展。目前雖然我國半導體專用設備企業銷售規模不斷增長，但半導體設備行業仍處于追趕階段，整體國產化率處于較低水平，許多半導體專用設備仍主要依賴進口，離子注入機就是其中之一。

離子注入機是對半導體表面附近區域進行摻雜的技術，是制作集成電路必不可少的重要工序，離子注入機是半導體晶圓制造設備中的關鍵設備，高速高功率放大器(電源)是其組成之一，它的技術指標會直接影響整個設備的性能。

許多科研儀器和傳感器都需要交流高壓驅動(放大)器，它是一種高電壓輸出的信號發生器，是配合信號源的理想工具，通過相關設備連接，拓展信號源的輸入電壓幅度范圍。如半導體高壓驅動、壓電材料驅動等方面。目前，市場現有的高壓放大器輸出峰值電壓小于±10 kV。本文研制的高速高壓功率放大器，在很大程度上提高了放大器輸出峰值電壓(40 kV)及額定輸出功率(400 W)；在高速、高壓、高功率下滿足帶寬、壓擺率等指標參數的要求。

1 高壓放大器的設計思路

1.1 放大器的工作類型

根據有源器件的導通情況，通常將放大器分為A、B、C等幾種類型[1]：

A類放大器：如圖1所示，功率器件導通角為360°，始終處于導通狀態，無論有無輸入信號，均有電流流過器件。因此A類放大器的效率低，但它具有良好的線性，無交越失真問題。

圖1 A類放大器導通角360°

B類放大器：如圖2所示，兩個功率器件在正、負半個周期輪流導通，導通角為180°，在無輸入信號時沒有電流流過功率器件。因此效率比A類放大器高，由于兩個功率器件輪流導通，所以存在交越失真問題。

圖2 B類放大器導通角180°

AB類放大器：如圖3所示，AB類放大器介于A類和B類之間，功率器件導通角180°～360°，因此效率高于A類放大器，失真低于B類放大器。

圖3 AB類放大器導通角（180～360°）

小信號時2個晶體管同時開，類似于A類放大器;大信號時，每半個周只有一個晶體管工作，類似于B類放大器。

C類放大器：如圖4所示，功率器件的導通角小于180°，因此效率較高，失真很大，通常用于射頻放大器。

圖4 C類放大器導通角小于180°

1.2 高壓放大器工作方式的選擇

兼顧失真和效率，高壓放大器的工作模式選擇為AB類，用推挽方式實現，如圖5所示。

圖5 高壓放大器的靜態工作點，工作在A類，用推挽方式實現

上、下管Q1、Q2完全相同。當輸入信號為0時，激勵級產生兩個大小相同的基極電流IbQ_Q1和IbQ_Q2，所以上下管Q1、Q2流過相同的靜態電流IQ，由于上、下管產生的壓降相同，所以輸出電壓Vout=0 V。

當有信號輸入時如圖6所示。

圖6 當有信號輸入時高壓放大器的工作

激勵級將輸入電壓變換成兩個具有直流分量IbQ_Q1和IbQ_Q2的差分電流信號。當輸入信號正半周時Q1的輸出電流會上升，而Q2的輸出電流會逐漸下降為0，這使得Q1上的壓降降低，而Q2上的壓降上升，最終負載上的輸出電壓V輸出上升。反之在輸入信號負半周時，負載上的輸出電壓V輸出下降。

2 高壓放大器的單元構成

高壓放大器的單元組成如圖7所示。

圖7 高壓放大器的單元組成

高壓放大器的輸出經電壓取樣后與輸入信號進行比較，產生的誤差信號經誤差放大器放大后由激勵級驅動放大器輸出，實現閉環負反饋控制，使得輸出電壓能夠跟隨輸入信號，達到穩定輸出電壓的目的。

放大器設置有輸出電流限流控制、輸出電流過流觸發保護、短路保護及放大器穩定性保護等，并設有輸出電流檢測、輸出電壓檢測和放大器穩定性檢測報警等檢測信號。

3 高壓放大器的實現

3.1 高壓器件的實現

由于需要輸出±20 kV的高壓，推挽放大器的上、下兩個功率管是實現高壓放大器的關鍵。為了提高耐壓，功率放大電路以雙極型晶體管為主體，由MOSFET和IGBT組成的串聯電路來實現，如圖8所示。

圖8 高壓放大器的單元組成

均壓是器件串聯使用時無法回避的問題，如圖8所示由N個單元組成的上管，供電電壓為Vcc、輸出電壓為Vout，則每個單元承受的電壓為：

當輸出電壓變化時，每個單元承受的電壓同步變化，每個單元的電壓VCELL仍然相同，實現了均壓。

3.2 靜態工作點

高壓放大器的最大輸出電流為±20 mA，兼顧失真和效率，將功率器件的靜態工作點設置在8 mA處(激勵級電路的設計保證放大器的輸入電流Ib不會出現負值)，如圖9所示。

圖9 高壓放大器的靜態工作點

當輸入電壓為0時，放大器的靜態工作電流為8 mA，上下管電流相同，輸出電壓為0。當輸入電壓為正時上管導通電流上升，下管導通電流下降，使得輸出電壓為正。反之，輸入電壓為負時，輸出電壓為負。

3.3 環路穩定性

未補償時的環路增益Tu(s)可近似為：

其中：

Tu0≈1.91

ωp1≈5.65×104(rad/s)

ωp2≈3.9×106(rad/s)

Q≈1.15

未補償環路增益的伯德圖如圖10所示，環路低頻增益約5.6 dB，環路穿越頻率約15 kHz。

圖10 未補償環路增益的伯德圖

為了提高環路帶寬，并提高放大器的低頻抗干擾能力，補償器采用滯后超前網絡[2]，設置環路帶寬為300 kHz、相位裕度60°。補償網絡的傳遞函數Gc(s)為：

其中：

Gc0≈2.4×106

ωz≈6.21×105(rad/s)

Q2≈0.26

ωp3≈7.32×106(rad/s)

Q3≈0.35

補償網絡的伯德圖如圖11所示。

圖11 補償網絡的伯德圖

補償后的環路增益T(s)約為：

其中：

T0=Tu0Gc0≈4.584×106

ωz≈6.21×105(rad/s)

Q2≈0.26

ωp1≈5.65×104(rad/s)

ωp2≈3.9×106(rad/s)

Q≈1.15

ωp3≈7.32×106(rad/s)

Q3≈0.35

補償后的環路增益的伯德圖如圖12所示，其穿越頻率約為300 kHz，相位裕度約為60°。為了適用不同的負載特性，環路補償網絡的增益設置為在一定范圍內可調，并將調節電位器設置在前面板上。

圖12 補償后環路增益的伯德圖

4 放大器的結構設計

高壓放大器由供電電源、放大器、控制板等單元組成。由于放大器的整機功耗較大，散熱是整機結構設計的重點。機箱采用了風冷，在后面板上安裝兩個風扇，在機箱的兩側靠近前面板各設置一個通風口，便于氣流通過放大器的功率單元和高壓供電電源，如圖13所示。

圖13 高壓放大器的結構示意圖

5 測試結果

輸出電壓范圍：±20kV(額定負載1 MΩ)

壓擺率：800 V/μs

大信號帶寬(1%失真)：5 kHz

小信號帶寬：20 kHz

6 結束語

本文介紹了±20 kV/400 W高壓放大器的研制，描述了高壓放大器的單元組成、功率器件的結構組成、放大器的動力學特性，以及放大器的環路補償及其環路穩定性。通過樣機的實驗測試結果，指標達到了設計要求。