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从220V高性能精密运算放大器入手,了解高压运放的应用

大部分工程师大概没有多少机会应用到高压(60V至100V以上)运算放大器,但实际上在很多应用中由于输入信号性质或输出负载特征的要求,需要运算放大器在高电压范围内工作。这类应用包括喷墨打印机和3D打印机中的压电驱动器、超声波变送器及其他医疗器械、ATE驱动器和电场源等。

以业界首款220V高性能精密运算放大器ADHV4702-1为例,这款ADI公司推出的放大器可以帮助工程师解决多个设计难题,用于多种不同应用,例如自动化测试设备、生命科学和医疗保健等:在自动化测试设备应用中,该器件可用于测量高压侧的电流,以及生成精准的高压电源;在生命科学领域,本产品可以对质谱系统实施精准的高压控制;在医疗应用中,可用于准确控制硅光电倍增管的偏压点。

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应对这些独特需求,你需要一个高压放大器

实际上,使用高电压运算放大器的典型应用数量及类型很多,其中大多数应用需要高电压,而且在将低压输入信号放大到增益倍数时,还需要精确控制。在多数情况下,这些信号不是高压开/关信号,因而需要使用线性放大器,而不是更简单的高压开关。

此类运算放大器与常规的运算放大器有所不同,因为它们必须满足感性或容性负载的压摆率要求,需要精确调节的电源,而且一旦电压超过60V,设计人员就会面临严格的稳压要求。此外,根据应用的不同,可能还会出现大电流,导致热管理问题。

值得一提的是,此类应用并不是常见的高压与高功率“相伴”,不少这样的系统在较高的电压范围内工作而电流在10至100mA之间(例如ADHV4702-1的输出电流典型值为20mA),因此工程师设计的重点更多强调控制和提供所需的电压而不是管理产生的热量。

新型高压运放为传统解决方案带来性能突破

高电压运算放大器与传统放大器有所不同。一般来说,放大器以某种电压与电流的组合提供功率增益,并且通常输出给阻性负载。反观运算放大器则是配置为向负载提供额定最大电流的同时提高电压。此外,运算放大器还可以配置为固定增益或可调增益,除了“简单”的电压增益模块外,还可用于各种拓扑。

过去,像运算放大器之类线性功能的大多数IC工艺的最大电压限制约为50V。为了构建高电压运算放大器,设计人员在输出端加装了外部分立高压晶体管,以用作升压器。以ADI公司的LT1055精密JFET运算放大器为例,通常需要搭配补偿升压晶体管,利用运算放大器的输入特性来提供±120 V电压。

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尽管这种方法奏效,但它的缺点是BOM成本更高且更加复杂,而且带来PCB布局的挑战。此外,另一个挑战是实现并保持正负输出摆幅的对称性,同时最大限度地减小过零失真。造成这些问题的原因通常是元器件不匹配以及物理布局不平衡。

高电源电压运算放大器用于要求最宽动态范围和最佳信噪比的系统,新型高压放大器还提供更多特性来改进系统性能,降低成本、提高鲁棒性,同时简化系统设计的复杂度。新特性包括:集成输入过压保护(OVP)、片内电磁干扰(EMI)滤波、更高的静电放电(ESD)抑制能力,以及加电和未加电工作模式下的更强防闩锁功能。

采用业界首款高电压、高性能的精密运算放大器满足设计挑战

要选择合适的高电压运算放大器,首先要评估与其他所有运算放大器类似的参数,当然具体的数值将有所不同。由于高电压运算放大器产品相对较少,因此这一过程比较简单。设计考虑因素主要包括以下三个方面:最重要的因素包括:输出电压、输出电流、带宽、压摆率,以及单极与双极的性能对比。其他考虑因素有压摆率和负载类型的限制,以及温度引起的漂移误差,这些误差会显示在输出波形中。此外,还需要考虑避免热过载、电流过大等其他影响所有放大器的问题。

上面提及的ADHV4702-1是一款高电压精密运算放大器,该器件可以使用±110V双对称电源、非对称电源或+220V单电源供电,并且输出电压可达±12V至±110V,同时电流可高达20mA。170 dB的开环增益是该器件高性能表现的一个关键因素。

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如果对于应用而言,即使2dB也是过大的负载峰值,ADHV4702-1还支持外部补偿,可在补偿引脚与接地之间接入电容器。通过正确选择电阻器和电容器,可以确保容性负载的稳定性,并在整个带宽范围内具有几乎平坦的响应。

由于ADHV4702-1的集成特性大大简化了材料清单,有助于缩短开发时间,降低生产成本。此外,其每根电压轨都具备广泛的输入共模电压范围,输出摆幅几乎是轨到轨。为了提高精度,这款放大器采用170dB典型开环增益,典型CMRR为160dB,输入失调电压最大1mV,失调电压漂移2uV/ oC。另外值得一提的是,它还具有一些独特功能,例如可调供电电流、回转升压电路和灵活的EPAD偏压,这些功能让其成为各类应用的理想高压解决方案

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结束语

考虑高压放大器远非原理图和BOM那么简单,电路板的布局布线设计也非常重要。此外,对于工作电压超过60V的电路,存在实现安全问题和标准,需要考虑方案的安全特性(ADHV4702-1符合IEC 61010-1爬电距离和间隙标准),设计中必须决定如何将高电压与更安全的低电压隔离,并在布局中满足针对元器件和电路板印制线的最小爬电距离和净空尺寸法规要求,以免发生电弧放电和飞弧现象。ADHV4702-1无论VCC或VEE电压是多少,其EPAD的高压隔离功能都可以将EPAD安全地偏置到0 V GND平面。

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