低壓運(yùn)算放大器通過(guò)自舉以實(shí)現(xiàn)高壓信號(hào)的應(yīng)用

（文章來(lái)源：EEWORLD）

可用的亞皮安偏置電流運(yùn)算放大器并不多?？煽笆褂玫钠骷３１环Q(chēng)為靜電計(jì)級(jí)放大器，偏置電流低至數(shù)十飛安。遺憾的是，這些靜電計(jì)放大器的低頻電壓噪聲（0.1Hz到10Hz）為幾微伏（峰峰值）。此外，其輸入失調(diào)電壓和失調(diào)溫度系數(shù)一般也不符合要求。其共模抑制比(CMRR)和開(kāi)環(huán)增益不夠好，難以支持1 ppm線(xiàn)性度。最后，沒(méi)有一款靜電計(jì)能夠承受高電源電壓。

LTC6240系列提供0.25?pA偏置電流（典型值）和0.55μV p-p低頻噪聲。這對(duì)于輸入緩沖器來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠好了，但該器件僅支持最高12 V的電源。我們將不得不在放大器周?chē)砑与娐芬允蛊溥m應(yīng)更高的電壓。

LTC6240由Vp（通過(guò)增益為+1的緩沖放大器保持輸出加5 V的值）和Vm（由另一個(gè)緩沖器驅(qū)動(dòng)而保持輸出減5 V的值）供電。由于電源總是跟隨輸入信號(hào)（由LTC6240的輸出緩沖），因此理想情況下根本沒(méi)有共模輸入誤差。即使是平庸的CMRR也通過(guò)自舉提升至少30 dB。該30 dB值是由Vp和Vm緩沖器的有限增益精度導(dǎo)致的。

LTC6240的開(kāi)環(huán)增益也得到類(lèi)似的提升。當(dāng)內(nèi)部增益節(jié)點(diǎn)和電源軌之間存在晶體管輸出阻抗時(shí)，放大器電路會(huì)發(fā)生增益受限的情況。由于電源被自舉到輸出，所以很少有信號(hào)電流流過(guò)上述阻抗，而且開(kāi)環(huán)增益的增加量與CMRR的提升量相似。但是，輸出負(fù)載仍可能會(huì)限制開(kāi)環(huán)增益。

也許不那么明顯，但電路整體壓擺率也被自舉提高。通常，它受限于LTC6240內(nèi)部靜態(tài)電流和以電源為基準(zhǔn)的補(bǔ)償電容。當(dāng)電源追隨輸入和輸出時(shí)，很少有動(dòng)態(tài)電流流入這些電容，放大器不會(huì)進(jìn)入有限壓擺率狀態(tài)。緩沖放大器最終會(huì)限制整體壓擺率。高壓電源Vhvp和Vhvm可能有干擾，但緩沖器輸出會(huì)在很大程度上抑制干擾，LTC6240的電源抑制比(PSRR)將大大增強(qiáng)。

請(qǐng)注意，1000 pF旁路電容必須與LTC6240電源引腳緊密連接。運(yùn)算放大器有數(shù)十個(gè)內(nèi)部晶體管，在該放大器中，晶體管的Ft量級(jí)為GHz。它們常常以反饋方式彼此連接，除非安裝了旁路電容，否則它們可能在高交流阻抗電源下發(fā)生振蕩。1000 pF足以消除這些振蕩。我們還希望電源旁路電容遠(yuǎn)大于任何輸出負(fù)載電容，因?yàn)樵诟哳l時(shí)，負(fù)載電容上的電壓轉(zhuǎn)換會(huì)導(dǎo)致電流流向電源軌，并可能調(diào)制電源電壓，通過(guò)PSRR反饋引起振蕩。因此，旁路電容會(huì)降低頻率下的電源調(diào)制，相當(dāng)于降低從輸出到電源的反饋增益。

壓擺這些旁路電容會(huì)需要很大的電流，而且必須是雙向的。Q5和Q6是射極跟隨器，可以驅(qū)動(dòng)旁路電容的壓擺電流。Q3和Q4是偏置二極管，用于設(shè)置Q5和Q6靜態(tài)電流。Q2為這些二極管和齊納二極管D1（實(shí)際上是并聯(lián)基準(zhǔn)電壓源IC）提供偏置電流，D1設(shè)置相對(duì)于輸出的正電源電壓。Q2的集電極是一個(gè)電流鏡的輸出，該電流鏡由高壓軌之間的R9偏置。如果電源電壓不是恒定值，可以用兩個(gè)電流源代替R9。

Q7至Q12形成與之前所述相當(dāng)?shù)腣m減電源驅(qū)動(dòng)器。請(qǐng)注意齊納電壓的不匹配是有意為之的：Vp比輸入/輸出高5V，Vm比輸入/輸出低3 V。這種不匹配使輸入電壓的中點(diǎn)位于LTC6240的電源限制輸入范圍以?xún)?nèi)，從而優(yōu)化壓擺波形。

通常，LTC6240的電源電流會(huì)消耗Q5的發(fā)射極電流，并基本上關(guān)閉Q6，所以Vp緩沖器輸出阻抗大部分是R3。因此，電源反饋Vp路徑的帶寬約為1/ (2π × 100 Ω × 0.001 μF) = 1.6 MHz。這保證了在10 MHz及以上的頻率（此時(shí)LTC6240的開(kāi)環(huán)相位向振蕩發(fā)展），Vp環(huán)路增益遠(yuǎn)小于1。100Ω電阻還讓跟隨器Q5不必直接驅(qū)動(dòng)1000 pF電容。發(fā)射極跟隨器會(huì)有輸出電感，可能與容性負(fù)載發(fā)生諧振，引起振鈴甚至振蕩。

設(shè)計(jì)自舉在1.6 MHz以上的頻率會(huì)失敗后，我們將看到整體電路的完美行為在頻率超出大約100 kHz時(shí)會(huì)降級(jí)。如果輸出不能完全跟隨輸入，自舉的好處將會(huì)打折扣。帶Cin的Rin將帶寬限制在100 kHz，這是ADC跟隨緩沖器的系統(tǒng)抗混疊濾波器的一部分，它還會(huì)衰減無(wú)線(xiàn)電干擾和不支持的壓擺率。

該電路必須能夠承受任何不受限制的壓擺輸入信號(hào)或ESD，因此Rin也用于限制輸入故障電流。電阻有四個(gè)串聯(lián)段，以便分擔(dān)輸入過(guò)驅(qū)，暫時(shí)承受1 kV的電壓。根據(jù)信號(hào)源和預(yù)期過(guò)載，可以減小輸入電阻。

LTC6240內(nèi)部有保護(hù)二極管，可將輸入過(guò)壓電流引導(dǎo)至Vp或Vm。允許進(jìn)入LTC6240輸入的最大故障電流為10 mA，但如果有周?chē)娐房梢钥焖偾袛噍斎牍收?，則在短時(shí)間內(nèi)可以增加該電流。該電路的預(yù)期應(yīng)用中存在SPDT繼電器，當(dāng)未通電時(shí)，其將緩沖器的輸入連接到÷10網(wǎng)絡(luò)。通電后，繼電器直接連接輸入。因此，當(dāng)未通電時(shí)，緩沖器連接到遠(yuǎn)大于10?kΩ的源阻抗，故障電壓和電流降低的幅度與10 mA連續(xù)額定值相當(dāng)。應(yīng)用的輸入范圍為±400 V，故障容差為±1000 V。這只有在有兩個(gè)比較器的情況下才能安全地實(shí)現(xiàn)，比較器檢測(cè)輸入過(guò)壓并快速釋放繼電器。
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