高電壓運(yùn)算放大器 - 運(yùn)算放大器必知必會(huì):基本特性與設(shè)計(jì)因素須知

　　在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)或者類似惡劣條件的場(chǎng)合，采用可直接工作在較高電壓的運(yùn)放有利于提高可用率和執(zhí)行力。只是提高工作電壓對(duì)設(shè)計(jì)容限的改進(jìn)是有限的;事實(shí)上大多數(shù)早期的雙極型運(yùn)放可工作在較高電壓下，但不能在低電壓下工作?，F(xiàn)代意義下的高壓運(yùn)放需要高適應(yīng)性，包括大動(dòng)態(tài)工作電壓范圍，滿幅輸入/輸出，抗高共模/差模和具備短期過壓寬限。以SGM8291為例，其工作電壓范圍是4.5V~36V，共模和差模均輸入允許到電源電壓，電源短期過壓可超過40V。

　　現(xiàn)代意義下的高壓運(yùn)放是一個(gè)較新的運(yùn)放品種，例如TI也只是在近期開始推廣其OPA171系列的高壓運(yùn)放。這些高壓運(yùn)放全部具有大動(dòng)態(tài)、低電流的特點(diǎn)，以JFET或CMOS作為輸入，普遍采用BCD混合結(jié)構(gòu);其特性優(yōu)勢(shì)是雙極型高壓運(yùn)放無(wú)法抗類比的。高壓運(yùn)放的結(jié)構(gòu)與低壓運(yùn)放的結(jié)構(gòu)不同，如輸入節(jié)要在大得多的共模電壓范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的失調(diào)電壓，輸出節(jié)要承受大的柵-漏(或基-集)電壓。SGM8291在全電壓范圍內(nèi)失調(diào)不超過0.9mV并允許輸出長(zhǎng)期短路。

　　圖6用來(lái)解釋如何實(shí)現(xiàn)這些特性所需要的結(jié)構(gòu)差異的一個(gè)示意方案(此示意圖并不暗示圣邦使用了這一結(jié)構(gòu))。其中CC1~CC3恒流源需要利用雙極型的本征恒流特性穩(wěn)定輸入差分對(duì)的偏置;A采用CMOS取得高增益;T1、T2采用DMOS實(shí)現(xiàn)高耐壓。低壓運(yùn)放不需要這些組合。

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　　圖6: 解釋高壓運(yùn)放結(jié)構(gòu)差異的示意圖。

　　開發(fā)高壓運(yùn)放、完善工業(yè)產(chǎn)品鏈的社會(huì)意義大于開發(fā)者的直接經(jīng)濟(jì)意義。盡管高壓運(yùn)放對(duì)工業(yè)應(yīng)用來(lái)講是不可或缺的，但實(shí)際上，其應(yīng)用空間被低壓結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不斷擠占。其一是因?yàn)樵诖蠖嘞到y(tǒng)中信號(hào)最終被饋送到或者最初來(lái)自低壓的數(shù)字處理電路，低壓系統(tǒng)已具備系統(tǒng)級(jí)高設(shè)計(jì)容限;其二是外圍電路改進(jìn)可利用低壓電路取得類似高壓器件的容限，分享低壓元件選擇性大、供應(yīng)量好和價(jià)格低的紅利。但是有些應(yīng)用場(chǎng)景注定需要高壓運(yùn)放，圖7示意了在輸入側(cè)和輸出側(cè)適合使用高壓運(yùn)放的若干情況。

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　　圖7: 若干需要高壓運(yùn)放的情況。

　　本文小結(jié)

　　半導(dǎo)體集成運(yùn)算放大器從60年代開發(fā)面市，歷經(jīng)半百滄桑到今天還能見到不斷有新的產(chǎn)品推出，見證了人類對(duì)自然深入探究和提升自我的不斷追求。近些年國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了若干家像圣邦一樣以模擬集成電路開發(fā)推廣為主要業(yè)務(wù)的新半導(dǎo)體公司，對(duì)拓展應(yīng)用和推動(dòng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)做出貢獻(xiàn);本文介紹的圣邦公司產(chǎn)品的特性均可與已知高性能產(chǎn)品的規(guī)格齊平。在成熟的應(yīng)用中，包括運(yùn)放在內(nèi)模擬電路被越來(lái)越多地集成到了單片系統(tǒng)中，同時(shí)隨著認(rèn)識(shí)的深入和處理能力的加強(qiáng)、也不斷有新的要求需要新的產(chǎn)品來(lái)滿足。