【導讀】常(chang)規(gui)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)要(yao)求(qiu)其(qi)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)在(zai)其(qi)電(dian)源(yuan)軌(gui)範(fan)圍(wei)內(nei)。如(ru)果(guo)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)可(ke)能(neng)超(chao)過(guo)電(dian)源(yuan)軌(gui)，可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)電(dian)阻(zu)衰(shuai)減(jian)過(guo)大(da)輸(shu)入(ru)
，使(shi)這(zhe)些(xie)輸(shu)入(ru)降(jiang)至(zhi)電(dian)源(yuan)範(fan)圍(wei)以(yi)內(nei)的(de)電(dian)平(ping)。這(zhe)樣(yang)處(chu)理(li)並(bing)不(bu)理(li)想(xiang)
，因(yin)為(wei)它(ta)會(hui)對(dui)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)、噪聲和漂移產生不利影響。同樣的電源軌也會限製放大器輸出，閉環增益的大小存在一個限值，以避免將輸出驅動到飽和狀態。

當現成的運算放大器(op amp)不能提供特定應用所需的信號擺幅範圍時

，工程師麵臨兩種選擇：使用高壓運算放大器或設計分立解決方案，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。除了動態性能要求極為苛刻的應用，自舉電源電路的設計是相當簡單的。

自舉簡介

常(chang)規(gui)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)要(yao)求(qiu)其(qi)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)在(zai)其(qi)電(dian)源(yuan)軌(gui)範(fan)圍(wei)內(nei)。如(ru)果(guo)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)可(ke)能(neng)超(chao)過(guo)電(dian)源(yuan)軌(gui)，可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)電(dian)阻(zu)衰(shuai)減(jian)過(guo)大(da)輸(shu)入(ru)，使(shi)這(zhe)些(xie)輸(shu)入(ru)降(jiang)至(zhi)電(dian)源(yuan)範(fan)圍(wei)以(yi)內(nei)的(de)電(dian)平(ping)。這(zhe)樣(yang)處(chu)理(li)並(bing)不(bu)理(li)想(xiang)，因(yin)為(wei)它(ta)會(hui)對(dui)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)、噪聲和漂移產生不利影響。同樣的電源軌也會限製放大器輸出
，閉環增益的大小存在一個限值，以避免將輸出驅動到飽和狀態。

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用要求。是否使用自舉主要取決於動態要求和功耗限製。

自舉會創建一個自適應雙電源，其正負電壓不是以地為基準
，而是以輸出信號的瞬時值為基準，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始終處於中間電源電壓
，並且電源電壓能夠相對於地移動。使用自舉可以非常容易地實現這種自適應雙電源。

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

工作原理

飛軌概念是指正負電源軌連續調整
，使其電壓始終關於輸出電壓對稱。這樣，輸出始終位於電源範圍內。

電路架構包括一對互補分立晶體管和一個阻性偏置網絡。NPN 發射極（或 N 溝道 MOSFET 的源極引腳）提供 VCC， PNP 發射極（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(li)論(lun)上(shang)，自(zi)舉(ju)可(ke)以(yi)為(wei)任(ren)何(he)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)提(ti)供(gong)任(ren)意(yi)高(gao)的(de)信(xin)號(hao)順(shun)從(cong)電(dian)壓(ya)。而(er)在(zai)實(shi)際(ji)上(shang)，電(dian)源(yuan)調(tiao)整(zheng)比(bi)例(li)越(yue)大(da)
，動(dong)態(tai)性(xing)能(neng)越(yue)差(cha)，因(yin)為(wei)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)的(de)壓(ya)擺(bai)率(lv)限(xian)製(zhi)了(le)電(dian)源(yuan)對(dui)動(dong)態(tai)信(xin)號(hao)的(de)響(xiang)應(ying)速(su)度(du)。放(fang)大(da)器(qi)在(zai)最(zui)大(da)額(e)定(ding)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)或(huo)接(jie)近(jin)該(gai)電(dian)壓(ya)下(xia)工(gong)作(zuo)時(shi)，電(dian)源(yuan)引(yin)腳(jiao)為(wei)跟(gen)上(shang)動(dong)態(tai)信(xin)號(hao)而(er)需(xu)要(yao)橫(heng)越(yue)的(de)範(fan)圍(wei)最(zui)小(xiao)。當(dang)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)在(zai)接(jie)近(jin)其(qi)最(zui)高(gao)額(e)定(ding)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)下(xia)工(gong)作(zuo)時(shi)，其(qi)他(ta)誤(wu)差(cha)源(yuan)（如噪聲增益）也會降低。

不需要電源移動很遠（或非常快）的de低di頻pin和he直zhi流liu應ying用yong
，是shi自zi舉ju的de最zui佳jia候hou選xuan應ying用yong。因yin此ci，高gao壓ya放fang大da器qi能neng提ti供gong比bi動dong態tai特te性xing相xiang當dang的de低di壓ya放fang大da器qi更geng好hao的de動dong態tai性xing能neng
，尤you其qi是shi當dang二er者zhe均jun偏pian置zhi為wei各ge自zi的de最zui大da工gong作zuo電dian源yuan電dian壓ya並bing且qie自zi舉ju到dao相xiang同tong信xin號hao範fan圍wei時shi。自zi舉ju也ye會hui影ying響xiang直zhi流liu性xing能neng，因yin此ci在zai直zhi流liu精jing度du和he高gao電dian壓ya兩liang方fang麵mian均jun經jing過guo優you化hua的de運yun算suan放fang大da器qi可ke提ti供gong自zi舉ju配pei置zhi能neng實shi現xian的de最zui佳jia直zhi流liu和he交jiao流liu性xing能neng組zu合he。

采用ADHV4702-1 的範圍擴展器設計

ADHV4702是一款精密220V運算放大器。有了該器件
，就不需要自舉傳統低壓運算放大器
，220V以yi下xia信xin號hao範fan圍wei的de高gao壓ya設she計ji得de以yi簡jian化hua。如ru果guo應ying用yong需xu要yao高gao電dian壓ya，那na麼me可ke以yi應ying用yong自zi舉ju技ji術shu，輕qing鬆song地di將jiang電dian路lu工gong作zuo範fan圍wei增zeng加jia兩liang倍bei以yi上shang。下xia麵mian說shuo明ming一yi個ge基ji於yuADHV4702-1的500V放大器設計示例。

電壓範圍

如上所述，擴展器電路的範圍在理論上是無限的，但存在如下一些實際限製：

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範圍內的電壓都有效。然而，功耗是基於所選擇的工作電壓在放大器和 FET 之間分配。對於給定的原始電源電壓，運算放大器電源電壓越低
，FET 中的漏源電壓(VDS)越(yue)高(gao)，功(gong)耗(hao)也(ye)相(xiang)應(ying)地(di)進(jin)行(xing)分(fen)配(pei)。應(ying)選(xuan)擇(ze)適(shi)當(dang)的(de)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)，從(cong)而(er)以(yi)最(zui)有(you)利(li)於(yu)散(san)熱(re)的(de)方(fang)式(shi)在(zai)器(qi)件(jian)之(zhi)間(jian)分(fen)配(pei)功(gong)耗(hao)。其(qi)次(ci)
，使(shi)用(yong)下(xia)式(shi)計(ji)算(suan)將(jiang)原(yuan)始(shi)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)(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。

對於下例，考慮運算放大器標稱電源電壓為±100 V。對於需要±250 V 擺幅範圍的應用，通過下式計算分壓比：

ranhou，shiyongbianyuhuodedebiaozhunzhidianzushejidianzufenyaqi

，jinkenengjiejindishixiancifenyabi。qingzhuyi
，youyushejigaodianya，dianzugonghaokenengbiyuqiyaogao。

對dui於yu所suo選xuan電dian阻zu值zhi
，應ying選xuan擇ze能neng夠gou應ying對dui相xiang應ying靜jing態tai功gong耗hao的de電dian阻zu尺chi寸cun。相xiang反fan，如ru果guo電dian阻zu的de物wu理li尺chi寸cun受shou限xian，應ying選xuan擇ze適shi當dang的de電dian阻zu值zhi來lai將jiang散san熱re限xian製zhi在zai額e定ding範fan圍wei內nei。

在該示例中，RTOP達到 150 V，RBOT達到 100 V。使用額定功率為 1 /2瓦的 2512 電阻
，設計必須將每個電阻器的功耗(V2/R) 限製在 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)作為功耗的限製因素，RBOT 值產生一個 2.5:1 分壓器，同時觀測靜態功耗限值為

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於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350 V（VCC = 250 V 且 VOUT = –100 V）。正弦輸出波形在 VCC和 VEE分壓器中產生 相同的平均功耗

，但任何非零平均輸出都會導致一個分壓器 的功耗高於另一個分壓器的功耗。對於滿量程直流輸出（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)不得小於以下值：

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

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
；當輸出飽和，使得一個 FET 處於最大 VDS
，另一個 FET 處於最小 VDS 時
，便可明白這一點。在前麵的示例中，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，FET 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，並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。從製造商的數據手冊中獲得柵極電容值，計算 RTOP和 RBOT並聯組合所形成的極點頻率。

偏(pian)置(zhi)網(wang)絡(luo)的(de)頻(pin)率(lv)響(xiang)應(ying)必(bi)須(xu)始(shi)終(zhong)快(kuai)於(yu)輸(shu)入(ru)和(he)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)
，否(fou)則(ze)放(fang)大(da)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)可(ke)能(neng)超(chao)出(chu)其(qi)自(zi)身(shen)的(de)電(dian)源(yuan)範(fan)圍(wei)。暫(zan)時(shi)偏(pian)離(li)到(dao)放(fang)大(da)器(qi)電(dian)源(yuan)軌(gui)之(zhi)外(wai)會(hui)有(you)損(sun)壞(huai)輸(shu)入(ru)的(de)風(feng)險(xian)，而(er)暫(zan)時(shi)飽(bao)和(he)或(huo)壓(ya)擺(bai)受(shou)限(xian)會(hui)有(you)造(zao)成(cheng)輸(shu)出(chu)失(shi)真(zhen)的(de)風(feng)險(xian)。任(ren)何(he)一(yi)種(zhong)狀(zhuang)況(kuang)都(dou)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)負(fu)反(fan)饋(kui)暫(zan)時(shi)丟(diu)失(shi)和(he)不(bu)可(ke)預(yu)測(ce)的(de)瞬(shun)態(tai)行(xing)為(wei)
，甚(shen)至(zhi)可(ke)能(neng)因(yin)為(wei)某(mou)些(xie)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)架(jia)構(gou)中(zhong)的(de)相(xiang)位(wei)反(fan)轉(zhuan)而(er)閂(shuan)鎖(suo)。

性能

直流線性度

圖 2 顯示了增益誤差與輸入電壓的關係（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係

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

實現更高速度的權衡

功耗

如前所述，工作電壓較高時，FET 的擊穿電壓（和相關的柵極電容）以(yi)及(ji)電(dian)阻(zu)值(zhi)也(ye)必(bi)須(xu)較(jiao)高(gao)。較(jiao)高(gao)的(de)電(dian)阻(zu)和(he)電(dian)容(rong)值(zhi)都(dou)會(hui)造(zao)成(cheng)帶(dai)寬(kuan)降(jiang)低(di)，唯(wei)一(yi)可(ke)用(yong)的(de)調(tiao)整(zheng)因(yin)素(su)是(shi)電(dian)阻(zu)值(zhi)。降(jiang)低(di)電(dian)阻(zu)值(zhi)會(hui)提(ti)高(gao)帶(dai)寬(kuan)

，但(dan)代(dai)價(jia)是(shi)功(gong)耗(hao)增(zeng)加(jia)。

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上增加一些引線補償可以改善電路的頻率響應。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。

結論

在需要較高電壓但使用典型高壓運算放大器不經濟的應用中
，常常會讓常規運算放大器自舉。自舉有其優點和缺點。還有一個選擇，ADHV4702-1 提供一種高達 220 V的精密高性能解決方案
，無需自舉。但是，當信號範圍要求超過 220 V時

， 該器件可以自舉以處理超過標稱信號範圍兩倍以上的電壓，同時提供比自舉低壓放大器更高的性能。

文章來源：ADI

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