從220V高性能精密運(yùn)算放大器入手，以此來了解高壓運(yùn)放的應(yīng)用

大部分工程師大概沒有多少機(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)化測試設(shè)備、生命科學(xué)和醫(yī)療保健等：在自動(dòng)化測試設(shè)備應(yīng)用中，該器件可用于測量高壓側(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，這些信號不是高壓開/關(guān)信號，因而需要使用線性放大器，而不是更簡單的高壓開關(guān)。

此類運(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)致熱管理問題。

值得一提的是，此類應(yīng)用并不是常見的高壓與高功率“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。一般來說，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“簡單”的電壓增益模塊外，還可用于各種拓?fù)洹?/p>

過去，像運(yùn)算放大器之類線性功能的大多數(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)?a target="_blank">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)輸出擺幅的對稱性，同時(shí)最大限度地減小過零失真。造成這些問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改進(jìn)系統(tǒng)性能，降低成本、提高魯棒性，同時(shí)簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。新特性包括：集成輸入過壓保護(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，首先要評估與其他所有運(yùn)算放大器類似的參數(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)品相對較少，因此這一過程比較簡單。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比。其他考慮因素有壓擺率和負(fù)載類型的限制，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載、電流過大等其他影響所有放大器的問題。

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雙對稱電源、非對稱電源或+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。

如果對于應(yīng)用而言，即使2dB也是過大的負(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的集成特性大大簡化了材料清單，有助于縮短開發(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應(yīng)用的理想高壓解決方案

結(jié)束語

考慮高壓放大器遠(yuǎn)非原理圖和BOM那么簡單，電路板的布局布線設(shè)計(jì)也非常重要。此外，對于工作電壓超過60V的電路，存在實(shí)現(xiàn)安全問題和標(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。

審核編輯 黃昊宇