高模擬電壓存在的問(wèn)題以及解決方案對(duì)于自動(dòng)測(cè)試設(shè)備或精密控制系統(tǒng)而言，要提供它們經(jīng)常所需的數(shù)百個(gè)模擬電壓，無(wú)疑是一項(xiàng)獨(dú)特的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器（opamp）無(wú)法提供這樣高的輸出電壓擺幅，而分立放大器替代方案則需要高度調(diào)整，并會(huì)占用更多的PC板空間。不過(guò)，還有另一種選擇：自舉高壓軌至軌輸出運(yùn)算放大器和一對(duì)能夠承受高擊穿電壓的FET的組合。本文將介紹高模擬電壓存在的問(wèn)題以及解決這些問(wèn)題的常用方法。然后展示如何使用來(lái)自AnalogDevices的高壓精密放大器，以及來(lái)自MicrochipTechnology和InfineonTechnologies的高壓MOSFET來(lái)應(yīng)用自舉法。這些器件將用于創(chuàng)建一種精密、高性能的解決方案，以提供兩倍于標(biāo)稱值的放大器信號(hào)范圍，同時(shí)還能以極小的電路板空間提供更高的性能。高模擬電壓的設(shè)計(jì)選項(xiàng)有些應(yīng)用要求的輸出電壓擺幅高于典型的高壓?jiǎn)纹\(yùn)算放大器可以產(chǎn)生的擺幅。使用分立晶體管的放大器設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)寬電壓擺幅的方法之一。這種設(shè)計(jì)方法較為靈活，能夠針對(duì)特定應(yīng)用定制放大器。但是，分立晶體管設(shè)計(jì)會(huì)使用更多的零件，需要設(shè)計(jì)人員投入更多的時(shí)間和精力。此外，由于器件匹配和溫度梯度的問(wèn)題，在分立設(shè)計(jì)中也很難達(dá)到所需的精度。分立高壓放大器的替代方案是高壓運(yùn)算放大器模塊。這些模塊大幅簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)人員的工作。高壓模塊通常是兼顧高電壓和高功率運(yùn)行的混合模塊。與分立設(shè)計(jì)相比，這些模塊的優(yōu)勢(shì)在于它們具有出廠指定的性能。雖然這些規(guī)格減少了設(shè)計(jì)人員的特征化工作，但混合模塊價(jià)格昂貴。大多數(shù)情況下，高壓?jiǎn)纹\(yùn)算放大器便可滿足設(shè)計(jì)的大部分性能要求。但是，在無(wú)法滿足的情況下，通過(guò)自舉單片運(yùn)算放大器的電源，將其擴(kuò)展到規(guī)格范圍以外，便可以將可用的運(yùn)算放大器選項(xiàng)清單從幾種解決方案增加至數(shù)百種。雖然自舉策略需要投入更多的工作，但與高壓模塊相比，這種解決方案的成本要低得多。這主要是因?yàn)橛懈魇礁鳂泳哂凶銐虻某鰪S指定性能的單片運(yùn)算放大器可供選擇。請(qǐng)注意，自舉不會(huì)影響放大器的DC規(guī)格，例如電壓偏移、輸入電壓擺幅和輸出電壓擺幅。電源自舉技術(shù)自舉配置相對(duì)器件的輸出電壓來(lái)控制其電源電壓。自舉電路有一對(duì)分立晶體管和一個(gè)電阻型偏置網(wǎng)絡(luò)（圖1）。圖1：具有固定+VS和-VS系統(tǒng)供電電壓的簡(jiǎn)化高壓追隨器自舉原理圖。VCC和VEE器件供電電壓隨輸出電壓VOUT的變化而變化。（圖片來(lái)源：BonnieBaker，取自AnalogDevices提供的材料）許多高壓放大器消除了對(duì)自舉電源的需求。例如，圖中所示的AnalogDevices10兆赫茲（MHz）ADHV4702-1BCPZ是一款±110伏電源，足以滿足大多數(shù)高壓應(yīng)用的需求。但是，如果系統(tǒng)需要更高的電壓，則自舉法可輕松使該電路的工作范圍加倍。為了執(zhí)行自舉，InfineonTechnologies的IRFP4868PBFN溝道MOSFET可用作Q1。該器件的擊穿電壓為300伏，ID最大值為70A。Q2是來(lái)自MicrochipTechnology的TP2435N8-GP溝道MOSFET。其具有350伏的擊穿電壓。在圖1中，ADHV4702-1精密放大器的工作供電電壓范圍為±12伏至±110伏。供電電壓為±110伏時(shí)，典型輸出電壓范圍為±108.5伏。±VS等于±300伏時(shí)，該自舉電路是可實(shí)現(xiàn)±120伏或更高輸出擺幅的放大器的基礎(chǔ)。該自舉概念也稱為飛軌，它會(huì)連續(xù)調(diào)整放大器的供電電壓，使其圍繞放大器的輸出電壓VOUT保持對(duì)稱。相應(yīng)地，輸出也保持在電源范圍內(nèi)。在追隨器自舉電路中，電阻分壓器（RBOT和RTOP）將VCC與VEE之間的壓差保持在恒定的±90伏，而放大器的輸出范圍為±200伏。Spice仿真顯示了這種浮動(dòng)供電現(xiàn)象（圖2）。圖2：Spice仿真顯示了浮動(dòng)供電現(xiàn)象，其中放大器Delta電源（VCC與VEE之間的壓差）保持在大約±90伏，而放大器的輸出范圍為±200伏。（圖片來(lái)源：BonnieBaker）在圖2中，VOUT等于VIN，RTOP等于45千歐（kΩ），而RBOT等于20kΩ。RTOP是最靠近外部電源（+VS和-VS）的電阻器，RBOT是最靠近運(yùn)算放大器輸出（VOUT）的電阻器。請(qǐng)注意，在圖2中，VCC和VEE電壓接近+VS（300伏）和-VS（-300伏）。當(dāng)輸出信號(hào)（VOUT）迫使VCC和VEE等于或超過(guò)+VS或-VS時(shí)，就會(huì)發(fā)生電路失真。自舉可提高任何運(yùn)算放大器的信號(hào)能力。但是，放大器的壓擺率會(huì)影響這種高壓配置的動(dòng)態(tài)性能。在圖1中，運(yùn)算放大器的壓擺率限制了VCC和VEE響應(yīng)動(dòng)態(tài)信號(hào)的能力。自舉放大器最適合電源緩慢變化的低頻和DC應(yīng)用。自舉設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)運(yùn)算放大器電源的自舉設(shè)計(jì)遵循三步過(guò)程：評(píng)估放大器與MOSFET功率耗散之間的折衷確定最大放大器輸出擺幅并指定放大器供電電壓考慮電阻器的功率要求在圖1中，功率耗散在運(yùn)算放大器與MOSFET漏源之間分配。放大器和FET的電壓供應(yīng)在規(guī)定的工作范圍內(nèi)。您可能希望用較低的電壓為放大器供電，但這可能會(huì)給MOSFET造成壓力。總功率耗散在放大器與MOSFET之間分配。根據(jù)等式1，最大運(yùn)算放大器輸出擺幅范圍（±VOUT-MAX）與運(yùn)算放大器電源（VEE、VCC）之間的關(guān)系決定了電阻分壓網(wǎng)絡(luò)。等式1a如果運(yùn)算放大器的標(biāo)稱供電電壓等于±100伏，并且最大輸出擺幅范圍等于±150伏，則分壓比等于：等式1b此計(jì)算提供了一種簡(jiǎn)便的方法來(lái)確定該應(yīng)用中的電阻值。但是，在選擇電阻器時(shí)，請(qǐng)務(wù)必注意其中涉及到高電壓，可能需要電阻器來(lái)耗散大量功率。請(qǐng)選擇適當(dāng)?shù)碾娮柚担瑢⑸崃肯拗圃谙鄳?yīng)的額定范圍內(nèi)。例如，RTOP達(dá)到150伏，RBOT達(dá)到100伏。使用?瓦額定電阻器時(shí)，功率耗散（V2/R）限制可使用等式2計(jì)算：等式2a等式2b使用45kΩ電阻器作為功率耗散限制因素時(shí)，RBOT值將產(chǎn)生2.5:1分壓器，其靜態(tài)功率耗散限制的計(jì)算如下：FET選擇選擇MOSFET的主要驅(qū)動(dòng)因素是擊穿電壓。該電壓必須耐受最壞情況下的偏置條件。當(dāng)輸出飽和時(shí)會(huì)出現(xiàn)擊穿電壓，這發(fā)生在一個(gè)MOSFET處于最大VDS，而另一個(gè)MOSFET處于最小VDS時(shí)。例如，最高絕對(duì)VDS約為300伏，這是VOUT-MAX（500伏）減去放大器的總供電電壓（VCC–VEE=200伏）得出的值。因此，MOSFET的耐壓能力不能低于300伏。此外，必須在VDS和工作電流均處于最壞情況時(shí)計(jì)算功率耗散。設(shè)計(jì)人員必須確保指定MOSFET在此功率水平下工作。MOSFET的柵極電容與偏置電阻器一起形成一個(gè)低通濾波器，擊穿電壓較高的MOSFET往往具有較高的柵極電容。在該電路中，偏置電阻往往介于幾十kΩ至幾百kΩ之間。使用這類高電阻值時(shí)，不需要多少柵極電容就能降低電路的速度。根據(jù)公式3，規(guī)格書中的MOSFET柵極電容值（CGATE）以及RTOP和RBOT的并聯(lián)組合，決定了低通濾波器的極點(diǎn)頻率：公式3注意事項(xiàng)偏置網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)必須保持比輸入和輸出信號(hào)的速度快十倍。如果偏置網(wǎng)絡(luò)降低電路速度，則放大器的輸出可能會(huì)超出其電源范圍。暫時(shí)偏離到放大器電源軌之外還有導(dǎo)致輸入損壞的風(fēng)險(xiǎn)，而暫時(shí)飽和或壓擺限制則有導(dǎo)致輸出失真的風(fēng)險(xiǎn)。這些狀況可能造成負(fù)反饋丟失、不可預(yù)測(cè)的瞬態(tài)行為，并可能因?yàn)榉聪喽鴮?dǎo)致閂鎖。性能電源自舉電路中的放大器可以進(jìn)行配置，以獲得更高的非反相增益。該自舉運(yùn)算放大器配置的工作方式與任何其他運(yùn)算放大器增益級(jí)相同。您必須使用非反相配置。對(duì)于DC線性度測(cè)量，放大器的特性決定了結(jié)果（圖3）。放大器配置的增益為20，電源范圍為±140伏。圖3：圖中顯示了增益誤差與輸入電壓的關(guān)系，其中的增益為20，電源電壓為±140伏。（圖片來(lái)源：AnalogDevices）運(yùn)算放大器的輸出具有有限壓擺率，其電源電壓是其輸出電壓的函數(shù)。在運(yùn)算放大器的輸入端，步進(jìn)調(diào)節(jié)可能會(huì)超出運(yùn)算放大器的電源范圍（圖4）。圖4：增益為20且電源范圍為140伏時(shí)的壓擺率。在運(yùn)算放大器的輸入端，步進(jìn)調(diào)節(jié)可能會(huì)超出運(yùn)算放大器的電源范圍，從而導(dǎo)致閂鎖狀態(tài)。通過(guò)在輸入節(jié)點(diǎn)放置低通濾波器，可以避免這種情況。（圖片來(lái)源：AnalogDevices）在圖4中，ADHV4702-1的規(guī)定壓擺率是74伏/微秒（V/ms）。為了避免發(fā)生閂鎖狀態(tài)，設(shè)計(jì)人員需要在信號(hào)輸入節(jié)點(diǎn)（VIN）使用低通濾波器。該壓擺限制電路會(huì)將瞬態(tài)變化減小至小于或等于使用公式4計(jì)算的運(yùn)算放大器壓擺率：公式4其中VSTEP是信號(hào)源的最