如何通過自舉擴(kuò)展運算放大器工作范圍

當(dāng)現(xiàn)成的運算放大器(op amp)不能提供特定應(yīng)用所需的信號擺幅范圍時，工程師面臨兩種選擇：使用高壓運算放大器或設(shè)計分立解決方案，不過這兩種選擇的成本可能都很高。

對許多應(yīng)用來說，第三種選擇——自舉——可能是比較廉價的替代方案。除了動態(tài)性能要求極為苛刻的應(yīng)用，自舉電源電路的設(shè)計是相當(dāng)簡單的。

自舉簡介

常規(guī)運算放大器要求其輸入電壓在其電源軌范圍內(nèi)。如果輸入信號可能超過電源軌，可以通過電阻衰減過大輸入，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，因為它會對輸入阻抗、噪聲和漂移產(chǎn)生不利影響。同樣的電源軌也會限制放大器輸出，閉環(huán)增益的大小存在一個限值，以避免將輸出驅(qū)動到飽和狀態(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 的 24V 至 220V 精密運算放大器 ADHV4702-1 是適合這種情況的出色選擇，不過自舉低壓運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態(tài)要求和功耗限制。

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

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

輸出負(fù)載不得過大。

響應(yīng)速度不得低于運算放大器的壓擺率。

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)于輸出電壓對稱。這樣，輸出始終位于電源范圍內(nèi)。

電路架構(gòu)包括一對互補(bǔ)分立晶體管和一個阻性偏置網(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，這些電壓通過電阻分壓器從高壓電源獲得。圖 1 顯 示了簡化高壓跟隨器原理圖。

圖 1. 簡化高壓跟隨器原理圖

理論上，自舉可以為任何運算放大器提供任意高的信號順從電壓。而在實際上，電源調(diào)整比例越大，動態(tài)性能越差，因為運算放大器的壓擺率限制了電源對動態(tài)信號的響應(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，電源引腳為跟上動態(tài)信號而需要橫越的范圍最小。當(dāng)運算放大器在接近其最高額定電源電壓下工作時，其他誤差源（如噪聲增益）也會降低。

不需要電源移動很遠(yuǎn)（或非?？欤┑牡皖l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態(tài)特性相當(dāng)?shù)牡蛪悍糯笃鞲玫膭討B(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范圍時。自舉也會影響直流性能，因此在直流精度和高電壓兩方面均經(jīng)過優(yōu)化的運算放大器可提供自舉配置能實現(xiàn)的最佳直流和交流性能組合。

舉例：采用ADHV4702-1 的范圍擴(kuò)展器的設(shè)計考慮

ADHV4702-1 是一款精密 220 V運算放大器。有了該器件，就不需要自舉傳統(tǒng)低壓運算放大器，220 V以下信號范圍的高壓設(shè)計得以簡化。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。下面說明一個基于ADHV4702-1 的 500 V放大器設(shè)計示例。

電壓范圍

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

電源電壓和電流額定值

電阻和場效應(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。對于給定的原始電源電壓，運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\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：

其中，RTOP為頂部電阻，RBOT為底部電阻。

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

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

靜態(tài)功耗

對于所選電阻值，應(yīng)選擇能夠應(yīng)對相應(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)碾娮柚祦韺⑸嵯拗圃陬~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)計必須將每個電阻器的功耗(V2/R) 限制在 0.5 W 以下。計算每個電阻的最小值，如下所示：

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

其功耗為(100 V)2/30 kΩ = 0.33 W。

瞬時功耗

考慮到電阻的瞬時電壓取決于放大器的輸出電壓以及電源電壓，本例中任何時刻每個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導(dǎo)致一個分壓器 的功耗高于另一個分壓器的功耗。對于滿量程直流輸出（或方波），瞬時功耗為最大功耗。

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

因此，電阻比為 1.5:1（對于 2.5:1 分壓器）時，各個電阻的最小值如下：

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 FET 處于最大 VDS，另一個 FET 處于最小 VDS 時，便可明白這一點。在前面的示例中，最 高絕對 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。

功耗必須針對最壞情況 VDS 和工作電流來計算，并且必須選擇指定在此功率水平下工作的 FET。

接下來考慮 FET 的柵極電容，因為它會與偏置電阻一起形成一個低通濾波器。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)手冊中獲得柵極電容值，計算 RTOP和 RBOT并聯(lián)組合所形成的極點頻率。

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，否則放大器的輸出可能超出其自身的電源范圍。暫時偏離到放大器電源軌之外會有損壞輸入的風(fēng)險，而暫時飽和或壓擺受限會有造成輸出失真的風(fēng)險。任何一種狀況都可能導(dǎo)致負(fù)反饋暫時丟失和不可預(yù)測的瞬態(tài)行為，甚至可能因為某些運算放大器架構(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，測量值為 20.22 V/μs。

圖 3. 壓擺率

實現(xiàn)更高速度的權(quán)衡功耗

如前所述，工作電壓較高時，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。降低電阻值會提高帶寬，但代價是功耗增加。

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電阻形成一個零點，抵消 FET 柵極電容所形成的極點。極點和零點相消，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算放大器不經(jīng)濟(jì)的應(yīng)用中，常常會讓常規(guī)運算放大器自舉。自舉有其優(yōu)點和缺點。還有一個選擇，ADHV4702-1 提供一種高達(dá) 220 V的精密高性能解決方案，無需自舉。但是，當(dāng)信號范圍要求超過 220 V時， 該器件可以自舉以處理超過標(biāo)稱信號范圍兩倍以上的電壓，同時提供比自舉低壓放大器更高的性能。