作者：ADI公司 Brian Beucler

摘要

當(dāng)現(xiàn)成的運(yùn)算放大器(op amp)不能提供特定應(yīng)用所需的信號(hào)擺幅范圍時(shí)，工程師面臨兩種選擇：使用高壓運(yùn)算放大器或設(shè)計(jì)分立解決方案——這兩種選擇的成本可能都很高。對(duì)許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，第三種選擇——自舉——可能是比較廉價(jià)的替代方案。除了動(dòng)態(tài)性能要求極為苛刻的應(yīng)用，自舉電源電路的設(shè)計(jì)是相當(dāng)簡(jiǎn)單的。

建議讀者閱讀Grayson King和Tim Watkins撰寫的優(yōu)秀技術(shù)文章——“通過(guò)運(yùn)算放大器自舉產(chǎn)生寬電壓擺幅”(EDN雜志，1999年5月13日)，其中闡明了自舉放大器應(yīng)用的眾多事項(xiàng)。

自舉簡(jiǎn)介

常規(guī)運(yùn)算放大器要求其輸入電壓在其電源軌范圍內(nèi)。如果輸入信號(hào)可能超過(guò)電源軌，可以通過(guò)電阻衰減過(guò)大輸入，使這些輸入降至電源范圍以內(nèi)的電平。這樣處理并不理想，因?yàn)樗鼤?huì)對(duì)輸入阻抗、噪聲和漂移產(chǎn)生不利影響。同樣的電源軌也會(huì)限制放大器輸出，閉環(huán)增益的大小存在一個(gè)限值，以避免將輸出驅(qū)動(dòng)到飽和狀態(tài)。

因此，如果要求處理輸入和/或輸出上的大信號(hào)偏離，則需要寬電源軌和能在這些電源軌上工作的放大器。ADI公司的220 V ADHV4702-1是適合這種情況的出色選擇，不過(guò)自舉低壓運(yùn)算放大器也能滿足應(yīng)用要求。是否使用自舉主要取決于動(dòng)態(tài)要求和功耗限制。

自舉會(huì)創(chuàng)建一個(gè)自適應(yīng)雙電源，其正負(fù)電壓不是以地為基準(zhǔn)，而是以輸出信號(hào)的瞬時(shí)值為基準(zhǔn)，有時(shí)稱之為飛軌(flying rail)配置。在這種配置中，電源隨著運(yùn)算放大器的輸出電壓(VOUT)上下移動(dòng)。因此，VOUT始終處于中間電源電壓，并且電源電壓能夠相對(duì)于地移動(dòng)。使用自舉可以非常容易地實(shí)現(xiàn)這種自適應(yīng)雙電源。

實(shí)際上，自舉必須符合一些準(zhǔn)則，有些準(zhǔn)則微不足道，但沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)則是特別麻煩的。如下是最基本的準(zhǔn)則：

•輸出負(fù)載不得過(guò)大。

•響應(yīng)速度不得低于運(yùn)算放大器的壓擺率。

•必須能處理所需的電壓水平和相關(guān)的功耗。

工作原理

飛軌概念是指正負(fù)電源軌連續(xù)調(diào)整，使其電壓始終關(guān)于輸出電壓對(duì)稱。這樣，輸出始終位于電源范圍內(nèi)。

電路架構(gòu)包括一對(duì)互補(bǔ)分立晶體管和一個(gè)阻性偏置網(wǎng)絡(luò)。NPN發(fā)射極(或N溝道MOSFET的源極引腳)提供VCC，PNP發(fā)射極(或P溝道MOSFET的源極引腳)用作VEE。晶體管被偏置，使得所需的電源電壓出現(xiàn)在放大器的+VS和-VS引腳上，這些電壓通過(guò)電阻分壓器從高壓電源獲得。圖1顯示了簡(jiǎn)化高壓跟隨器原理圖。

圖1.簡(jiǎn)化高壓跟隨器原理圖

理論上，自舉可以為任何運(yùn)算放大器提供任意高的信號(hào)順從電壓。而在實(shí)際上，電源調(diào)整比例越大，動(dòng)態(tài)性能越差，因?yàn)檫\(yùn)算放大器的壓擺率限制了電源對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)的響應(yīng)速度。放大器在最大額定電源電壓或接近該電壓下工作時(shí)，電源引腳為跟上動(dòng)態(tài)信號(hào)而需要橫越的范圍最小。當(dāng)運(yùn)算放大器在接近其最高額定電源電壓下工作時(shí)，其他誤差源(如噪聲增益)也會(huì)降低(參見(jiàn)“通過(guò)運(yùn)算放大器自舉產(chǎn)生寬電壓擺幅”，EDN雜志，1999年5月13日)。

不需要電源移動(dòng)很遠(yuǎn)(或非?？?的低頻和直流應(yīng)用，是自舉的最佳候選應(yīng)用。因此，高壓放大器能提供比動(dòng)態(tài)特性相當(dāng)?shù)牡蛪悍糯笃鞲玫膭?dòng)態(tài)性能，尤其是當(dāng)二者均偏置為各自的最大工作電源電壓并且自舉到相同信號(hào)范圍時(shí)。自舉也會(huì)影響直流性能，因此在直流精度和高電壓兩方面均經(jīng)過(guò)優(yōu)化的運(yùn)算放大器可提供自舉配置能實(shí)現(xiàn)的最佳直流和交流性能組合。

采用ADHV4702-1的范圍擴(kuò)展器的設(shè)計(jì)考慮

ADHV4702-1是一款精密220 V運(yùn)算放大器。有了該器件，就不需要自舉傳統(tǒng)低壓運(yùn)算放大器，220 V以下信號(hào)范圍的高壓設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn)化。如果應(yīng)用需要更高電壓，那么可以應(yīng)用自舉技術(shù)，輕松地將電路工作范圍增加兩倍以上。下面說(shuō)明一個(gè)基于ADHV4702-1的500 V放大器設(shè)計(jì)示例。

電壓范圍

如上所述，擴(kuò)展器電路的范圍在理論上是無(wú)限的，但存在如下一些實(shí)際限制：

•電源電壓和電流額定值

•電阻和場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)功耗

•FET擊穿電壓

直流偏置電平

首先，考慮提供給放大器的電源電壓。任何在器件額定電源電壓范圍內(nèi)的電壓都有效。然而，功耗是基于所選擇的工作電壓在放大器和FET之間分配。對(duì)于給定的原始電源電壓，運(yùn)算放大器電源電壓越低，F(xiàn)ET中的漏源電壓(VDS)越高，功耗也相應(yīng)地進(jìn)行分配。應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)倪\(yùn)算放大器電源電壓，從而以最有利于散熱的方式在器件之間分配功耗。

其次，使用下式計(jì)算將原始電源電壓(VRAW)降低到放大器期望電源電壓(VAMP)所需的分壓比：

V_RAW/V_AMP = (R_TOP + R_BOT)/R_BOT

其中，RTOP為頂部電阻，RBOT為底部電阻。

對(duì)于下例，考慮運(yùn)算放大器標(biāo)稱電源電壓為±100 V。對(duì)于需要±250 V擺幅范圍的應(yīng)用，通過(guò)下式計(jì)算分壓比：

分壓比 = 250 V/100 V = 2.5或2.5:1

然后，使用便于獲得的標(biāo)準(zhǔn)值電阻設(shè)計(jì)電阻分壓器，盡可能接近地實(shí)現(xiàn)此分壓比。請(qǐng)注意，由于涉及高電壓，電阻功耗可能比預(yù)期要高。

靜態(tài)功耗

對(duì)于所選電阻值，應(yīng)選擇能夠應(yīng)對(duì)相應(yīng)靜態(tài)功耗的電阻尺寸。相反，如果電阻的物理尺寸受限，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)碾娮柚祦?lái)將散熱限制在額定范圍內(nèi)。

在該示例中，RTOP達(dá)到150 V，RBOT達(dá)到100 V。使用額定功率為1/2瓦的2512電阻，設(shè)計(jì)必須將每個(gè)電阻器的功耗(V2/R)限制在0.5 W以下。計(jì)算每個(gè)電阻的最小值，如下所示：

R_TOP = (150 V)²/0.5 W = 45 kΩ(最小值)

R_BOT = (100 V)²/0.5 W = 20 kΩ(最小值)

將較高值電阻(45kΩ)作為功耗的限制因素，RBOT值產(chǎn)生一個(gè)2.5:1分壓器，同時(shí)觀測(cè)靜態(tài)功耗限值為

R_BOT = R_TOP/1.5 = 30 kΩ

其功耗為(100 V)^₂/30 kΩ = 0.33 W。

瞬時(shí)功耗

考慮到電阻的瞬時(shí)電壓取決于放大器的輸出電壓以及電源電壓，本例中任何時(shí)刻每個(gè)分壓器上的電壓可能高達(dá)350 V(VCC = 250 V且VOUT = -100 V)。正弦輸出波形在VCC和VEE分壓器中產(chǎn)生相同的平均功耗，但任何非零平均輸出都會(huì)導(dǎo)致一個(gè)分壓器的功耗高于另一個(gè)分壓器的功耗。對(duì)于滿量程直流輸出(或方波)，瞬時(shí)功耗為最大功耗。

在此示例中，為將瞬時(shí)功耗保持在0.5 W以下，每個(gè)分壓器中兩個(gè)電阻之和(RSUM)不得小于以下值：

RSUM = (350 V)2/0.5 W = 245 kΩ

因此，電阻比為1.5:1(對(duì)于2.5:1分壓器)時(shí)，各個(gè)電阻的最小值如下：

•RTOP = 147 kΩ

•RBOT = 98 kΩ

FET選擇

承受最壞情況偏置條件所需的擊穿電壓主要決定FET的選擇;當(dāng)輸出飽和，使得一個(gè)FET處于最大VDS，另一個(gè)FET處于最小VDS時(shí)，便可明白這一點(diǎn)。在前面的示例中，最高絕對(duì)VDS約為300 V，即總原始電源電壓(500 V)減去放大器的總電源電壓(200 V)。因此，F(xiàn)ET必須承受至少300 V電壓而不被擊穿。

功耗必須針對(duì)最壞情況VDS和工作電流來(lái)計(jì)算，并且必須選擇指定在此功率水平下工作的FET。

接下來(lái)考慮FET的柵極電容，因?yàn)樗鼤?huì)與偏置電阻一起形成一個(gè)低通濾波器。擊穿電壓較高的FET往往具有較高的柵極電容，而且偏置電阻往往為100 kΩ，因此不需要多少柵極電容就能顯著降低電路的速度。從制造商的數(shù)據(jù)手冊(cè)中獲得柵極電容值，計(jì)算RTOP和RBOT并聯(lián)組合所形成的極點(diǎn)頻率。

偏置網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)必須始終快于輸入和輸出信號(hào)，否則放大器的輸出可能超出其自身的電源范圍。暫時(shí)偏離到放大器電源軌之外會(huì)有損壞輸入的風(fēng)險(xiǎn)，而暫時(shí)飽和或壓擺受限會(huì)有造成輸出失真的風(fēng)險(xiǎn)。任何一種狀況都可能導(dǎo)致負(fù)反饋暫時(shí)丟失和不可預(yù)測(cè)的瞬態(tài)行為，甚至可能因?yàn)槟承┻\(yùn)算放大器架構(gòu)中的相位反轉(zhuǎn)而閂鎖。

性能

直流線性度

圖2顯示了增益誤差與輸入電壓的關(guān)系(直流線性度)，增益為20，電源為±140 V。

圖2.增益誤差與輸入電壓的關(guān)系

壓擺率

圖3顯示了壓擺率曲線，增益為20，電源為±140 V，測(cè)量值為20.22 V/μs。

圖3.壓擺率

實(shí)現(xiàn)更高速度的權(quán)衡

功耗

如前所述，工作電壓較高時(shí)，F(xiàn)ET的擊穿電壓(和相關(guān)的柵極電容)以及電阻值也必須較高。較高的電阻和電容值都會(huì)造成帶寬降低，唯一可用的調(diào)整因素是電阻值。降低電阻值會(huì)提高帶寬，但代價(jià)是功耗增加。空間低阻值、高功率的電阻尺寸較大，需占用較多電路板空間。以電容的形式在RBOT上增加一些引線補(bǔ)償可以改善電路的頻率響應(yīng)。此電容與RBOT和RTOP電阻形成一個(gè)零點(diǎn)，抵消FET柵極電容所形成的極點(diǎn)。極點(diǎn)和零點(diǎn)相消，因此可以選擇更高阻值的電阻，從而降低直流功耗。

結(jié)論

在需要較高電壓但使用典型高壓運(yùn)算放大器不經(jīng)濟(jì)的應(yīng)用中，常常會(huì)讓常規(guī)運(yùn)算放大器自舉。自舉有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。還有一個(gè)選擇，ADHV4702-1提供一種高達(dá)220 V的精密高性能解決方案，無(wú)需自舉。但是，當(dāng)信號(hào)范圍要求超過(guò)220 V時(shí)，該器件可以自舉以處理超過(guò)標(biāo)稱信號(hào)范圍兩倍以上的電壓，同時(shí)提供比自舉低壓放大器更高的性能。

參考文獻(xiàn)

Grayson King和Tim Watkins。“通過(guò)運(yùn)算放大器自舉產(chǎn)生寬電壓擺幅”，EDN雜志，1999年5月13日。

維基百科，“自舉”，2018年9月1日。