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：

 

● 輸出負載不得過大。

● 響應速度不得低於運算放大器的壓擺率。

● 必須能處理所需的電壓水平和相關的功耗。

 

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）dedipinhezhiliuyingyong
，shizijudezuijiahouxuanyingyong。yinci，gaoyafangdaqinengtigongbidongtaitexingxiangdangdediyafangdaqigenghaodedongtaixingneng，youqishidangerzhejunpianzhiweigezidezuidagongzuodianyuandianyabingqiezijudaoxiangtongxinhaofanweishi。zijuyehuiyingxiangzhiliuxingneng
，yincizaizhiliujingduhegaodianyaliangfangmianjunjingguoyouhuadeyunsuanfangdaqiketigongzijupeizhinengshixiandezuijiazhiliuhejiaoliuxingnengzuhe。

 

舉例：采用ADHV4702-1 的範圍擴展器的設計考慮

 

ADHV4702-1 是一款精密 220 V運算放大器。有了該器件
，就不需要自舉傳統低壓運算放大器
，220 V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)更(geng)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(yu)ADHV4702-1 的 500 V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：

 

● 電源電壓和電流額定值

● 電阻和場效應晶體管(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：

 

 

然ran後hou，使shi用yong便bian於yu獲huo得de的de標biao準zhun值zhi電dian阻zu設she計ji電dian阻zu分fen壓ya器qi，盡jin可ke能neng接jie近jin地di實shi現xian此ci分fen壓ya比bi。請qing注zhu意yi
，由you於yu涉she及ji高gao電dian壓ya，電dian阻zu功gong耗hao可ke能neng比bi預yu期qi要yao高gao。

 

靜態功耗

 

duiyusuoxuandianzuzhi，yingxuanzenenggouyingduixiangyingjingtaigonghaodedianzuchicun。xiangfan，ruguodianzudewulichicunshouxian

，yingxuanzeshidangdedianzuzhilaijiangsanrexianzhizaiedingfanweinei。

 

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：

 

● 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。

 

 

推薦閱讀：