【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(yu)ADHV4702-1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：

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)。

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：

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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