220V高性能精密運(yùn)算放大器滿足高壓運(yùn)放的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

大部分工程師大概沒(méi)有多少機(jī)會(huì)應(yīng)用到高壓（60V至100V以上）運(yùn)算放大器，但實(shí)際上在很多應(yīng)用中由于輸入信號(hào)性質(zhì)或輸出負(fù)載特征的要求，需要運(yùn)算放大器在高電壓范圍內(nèi)工作。這類(lèi)應(yīng)用包括噴墨打印機(jī)和3D打印機(jī)中的壓電驅(qū)動(dòng)器、超聲波變送器及其他醫(yī)療器械、ATE驅(qū)動(dòng)器和電場(chǎng)源等。

以業(yè)界首款220V高性能精密運(yùn)算放大器ADHV4702-1為例，這款ADI公司推出的放大器可以幫助工程師解決多個(gè)設(shè)計(jì)難題，用于多種不同應(yīng)用，例如自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備、生命科學(xué)和醫(yī)療保健等：在自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備應(yīng)用中，該器件可用于測(cè)量高壓側(cè)的電流，以及生成精準(zhǔn)的高壓電源；在生命科學(xué)領(lǐng)域，本產(chǎn)品可以對(duì)質(zhì)譜系統(tǒng)實(shí)施精準(zhǔn)的高壓控制；在醫(yī)療應(yīng)用中，可用于準(zhǔn)確控制硅光電倍增管的偏壓點(diǎn)。

應(yīng)對(duì)這些獨(dú)特需求，你需要一個(gè)高壓放大器

實(shí)際上，使用高電壓運(yùn)算放大器的典型應(yīng)用數(shù)量及類(lèi)型很多，其中大多數(shù)應(yīng)用需要高電壓，而且在將低壓輸入信號(hào)放大到增益倍數(shù)時(shí)，還需要精確控制。在多數(shù)情況下，這些信號(hào)不是高壓開(kāi)/關(guān)信號(hào)，因而需要使用線性放大器，而不是更簡(jiǎn)單的高壓開(kāi)關(guān)。

此類(lèi)運(yùn)算放大器與常規(guī)的運(yùn)算放大器有所不同，因?yàn)樗鼈儽仨殱M足感性或容性負(fù)載的壓擺率要求，需要精確調(diào)節(jié)的電源，而且一旦電壓超過(guò)60V，設(shè)計(jì)人員就會(huì)面臨嚴(yán)格的穩(wěn)壓要求。此外，根據(jù)應(yīng)用的不同，可能還會(huì)出現(xiàn)大電流，導(dǎo)致熱管理問(wèn)題。

值得一提的是，此類(lèi)應(yīng)用并不是常見(jiàn)的高壓與高功率“相伴”，不少這樣的系統(tǒng)在較高的電壓范圍內(nèi)工作而電流在10至100mA之間（例如ADHV4702-1的輸出電流典型值為20mA），因此工程師設(shè)計(jì)的重點(diǎn)更多強(qiáng)調(diào)控制和提供所需的電壓而不是管理產(chǎn)生的熱量。

新型高壓運(yùn)放為傳統(tǒng)解決方案帶來(lái)性能突破

高電壓運(yùn)算放大器與傳統(tǒng)放大器有所不同。一般來(lái)說(shuō)，放大器以某種電壓與電流的組合提供功率增益，并且通常輸出給阻性負(fù)載。反觀運(yùn)算放大器則是配置為向負(fù)載提供額定最大電流的同時(shí)提高電壓。此外，運(yùn)算放大器還可以配置為固定增益或可調(diào)增益，除了“簡(jiǎn)單”的電壓增益模塊外，還可用于各種拓?fù)洹?/p>

過(guò)去，像運(yùn)算放大器之類(lèi)線性功能的大多數(shù)IC工藝的最大電壓限制約為50V。為了構(gòu)建高電壓運(yùn)算放大器，設(shè)計(jì)人員在輸出端加裝了外部分立高壓晶體管，以用作升壓器。以ADI公司的LT1055精密JFET運(yùn)算放大器為例，通常需要搭配補(bǔ)償升壓晶體管，利用運(yùn)算放大器的輸入特性來(lái)提供±120 V電壓。

盡管這種方法奏效，但它的缺點(diǎn)是BOM成本更高且更加復(fù)雜，而且?guī)?lái)PCB布局的挑戰(zhàn)。此外，另一個(gè)挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)并保持正負(fù)輸出擺幅的對(duì)稱(chēng)性，同時(shí)最大限度地減小過(guò)零失真。造成這些問(wèn)題的原因通常是元器件不匹配以及物理布局不平衡。

高電源電壓運(yùn)算放大器用于要求最寬動(dòng)態(tài)范圍和最佳信噪比的系統(tǒng)，新型高壓放大器還提供更多特性來(lái)改進(jìn)系統(tǒng)性能，降低成本、提高魯棒性，同時(shí)簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。新特性包括：集成輸入過(guò)壓保護(hù)（OVP）、片內(nèi)電磁干擾（EMI）濾波、更高的靜電放電（ESD）抑制能力，以及加電和未加電工作模式下的更強(qiáng)防閂鎖功能。

采用業(yè)界首款高電壓、高性能的精密運(yùn)算放大器滿足設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

要選擇合適的高電壓運(yùn)算放大器，首先要評(píng)估與其他所有運(yùn)算放大器類(lèi)似的參數(shù)，當(dāng)然具體的數(shù)值將有所不同。由于高電壓運(yùn)算放大器產(chǎn)品相對(duì)較少，因此這一過(guò)程比較簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)考慮因素主要包括以下三個(gè)方面：最重要的因素包括：輸出電壓、輸出電流、帶寬、壓擺率，以及單極與雙極的性能對(duì)比。其他考慮因素有壓擺率和負(fù)載類(lèi)型的限制，以及溫度引起的漂移誤差，這些誤差會(huì)顯示在輸出波形中。此外，還需要考慮避免熱過(guò)載、電流過(guò)大等其他影響所有放大器的問(wèn)題。

上面提及的ADHV4702-1是一款高電壓精密運(yùn)算放大器，該器件可以使用±110V雙對(duì)稱(chēng)電源、非對(duì)稱(chēng)電源或+220V單電源供電，并且輸出電壓可達(dá)±12V至±110V，同時(shí)電流可高達(dá)20mA。170 dB的開(kāi)環(huán)增益是該器件高性能表現(xiàn)的一個(gè)關(guān)鍵因素。

如果對(duì)于應(yīng)用而言，即使2dB也是過(guò)大的負(fù)載峰值，ADHV4702-1還支持外部補(bǔ)償，可在補(bǔ)償引腳與接地之間接入電容器。通過(guò)正確選擇電阻器和電容器，可以確保容性負(fù)載的穩(wěn)定性，并在整個(gè)帶寬范圍內(nèi)具有幾乎平坦的響應(yīng)。

由于ADHV4702-1的集成特性大大簡(jiǎn)化了材料清單，有助于縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低生產(chǎn)成本。此外，其每根電壓軌都具備廣泛的輸入共模電壓范圍，輸出擺幅幾乎是軌到軌。為了提高精度，這款放大器采用170dB典型開(kāi)環(huán)增益，典型CMRR為160dB，輸入失調(diào)電壓最大1mV，失調(diào)電壓漂移2uV/ oC。另外值得一提的是，它還具有一些獨(dú)特功能，例如可調(diào)供電電流、回轉(zhuǎn)升壓電路和靈活的EPAD偏壓，這些功能讓其成為各類(lèi)應(yīng)用的理想高壓解決方案

結(jié)束語(yǔ)

考慮高壓放大器遠(yuǎn)非原理圖和BOM那么簡(jiǎn)單，電路板的布局布線設(shè)計(jì)也非常重要。此外，對(duì)于工作電壓超過(guò)60V的電路，存在實(shí)現(xiàn)安全問(wèn)題和標(biāo)準(zhǔn)，需要考慮方案的安全特性（ADHV4702-1符合IEC 61010-1爬電距離和間隙標(biāo)準(zhǔn)），設(shè)計(jì)中必須決定如何將高電壓與更安全的低電壓隔離，并在布局中滿足針對(duì)元器件和電路板印制線的最小爬電距離和凈空尺寸法規(guī)要求，以免發(fā)生電弧放電和飛弧現(xiàn)象。ADHV4702-1無(wú)論VCC或VEE電壓是多少，其EPAD的高壓隔離功能都可以將EPAD安全地偏置到0 V GND平面。