【導(dǎo)讀】本文詳細(xì)介紹了高電壓運(yùn)算放大器的應(yīng)用場(chǎng)景、器件選型，以及設(shè)計(jì)應(yīng)用過程中的需要考慮的制約因素，并且討論了在工作電壓大于100伏時(shí)存在的性能、熱管理、法規(guī)和安全問題，為高電壓運(yùn)算放大器應(yīng)用選型提供全面的技術(shù)指南。
高電壓運(yùn)算放大器在60V至100V以上的電子系統(tǒng)應(yīng)用中必不可少，這些應(yīng)用包括儀表、醫(yī)療、物理、壓電變送器、激光二極管等系統(tǒng)。
摘要
本文詳細(xì)介紹了高電壓運(yùn)算放大器的應(yīng)用場(chǎng)景、器件選型，以及設(shè)計(jì)應(yīng)用過程中的需要考慮的制約因素，并且討論了在工作電壓大于100伏時(shí)存在的性能、熱管理、法規(guī)和安全問題，為高電壓運(yùn)算放大器應(yīng)用選型提供全面的技術(shù)指南。
在很多應(yīng)用中，由于輸入信號(hào)性質(zhì)或輸出負(fù)載特征的要求，需要運(yùn)算放大器在高電壓范圍內(nèi)（60V至100V以上）工作。這些應(yīng)用包括噴墨打印機(jī)和3D打印機(jī)中的壓電驅(qū)動(dòng)器、超聲波變送器及其他醫(yī)療器械、ATE驅(qū)動(dòng)器和電場(chǎng)源。
此類運(yùn)算放大器與常規(guī)的運(yùn)算放大器有所不同，因?yàn)樗鼈儽仨殱M足非阻性（感性或容性）負(fù)載的壓擺率要求，需要精確調(diào)節(jié)的電源，而且一旦電壓超過60V，設(shè)計(jì)人員就會(huì)面臨嚴(yán)格的穩(wěn)壓要求。此外，根據(jù)應(yīng)用的不同，可能還會(huì)出現(xiàn)大電流，導(dǎo)致熱管理問題。
為了解決這些問題，市面上售有基于特殊工藝的標(biāo)準(zhǔn)單片式和混合式高電壓運(yùn)算放大器。然而，在對(duì)這些運(yùn)算放大器進(jìn)行選擇、設(shè)計(jì)導(dǎo)入和布局時(shí)，需要有特殊的考慮，以便安全、穩(wěn)定地滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)。本文將介紹高電壓運(yùn)算放大器 (>100V) 獨(dú)特卻極為常見的應(yīng)用，以及如何成功地應(yīng)用這類運(yùn)算放大器。
為何需要高電壓?
使用高電壓運(yùn)算放大器的典型應(yīng)用數(shù)量和類型繁多。其中大多數(shù)應(yīng)用需要高電壓，而且在將低壓輸入信號(hào)放大到增益倍數(shù)時(shí)，還需要精確控制。在多數(shù)情況下，這些信號(hào)不是高壓開/關(guān)信號(hào)，因而需要使用線性放大器，而不是更簡(jiǎn)單的高壓開關(guān)。其中某些應(yīng)用往往要求實(shí)現(xiàn)雙極輸出，包括：
噴墨打印機(jī)中的壓電驅(qū)動(dòng)器、超聲波變送器和精密流量控制閥
自動(dòng)測(cè)試設(shè)備 (ATE) 驅(qū)動(dòng)器，用于完全驅(qū)動(dòng)其他IC、混合器件和模塊
蓋革計(jì)數(shù)器等科學(xué)儀器
汽車光檢測(cè)和測(cè)距 (LiDAR) 成像系統(tǒng)的高強(qiáng)度激光二極管
生成電場(chǎng)，常用于生物醫(yī)學(xué)流體測(cè)試
很多這樣的系統(tǒng)（至少部分地）在較高的電壓范圍內(nèi)工作，但電流介于小、中水平（10至100mA），因此算不上通常意義的“高功率”。因此，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)更多強(qiáng)調(diào)控制和提供所需的電壓，而不是管理產(chǎn)生的熱量。
例如，100mA時(shí)輸出為100V的運(yùn)算放大器可滿足10W的中等輸出功率要求（加上內(nèi)部損耗功率，后者通常占比20%至30%）。盡管該示例明顯不屬于“微功率”，但也無需注意熱管理，因?yàn)?0W的功率大部分都輸出給負(fù)載，而不是由電子元器件所耗散。然而，散熱仍然是設(shè)計(jì)時(shí)始終要考慮的一個(gè)因素。
更多的問題則出現(xiàn)在通過運(yùn)算放大器放大電壓方面，設(shè)計(jì)人員面臨的一些普遍問題包括：
運(yùn)算放大器的選擇和應(yīng)用
優(yōu)化高壓器件的性能
為運(yùn)算放大器提供DC高壓軌，可能與負(fù)載電源是同一條
確保高電壓安全性，滿足布局和結(jié)構(gòu)的法規(guī)要求
運(yùn)算放大器的選擇和應(yīng)用
高電壓運(yùn)算放大器與傳統(tǒng)放大器有所不同。一般來說，放大器以某種電壓與電流的組合提供功率增益，并且通常輸出給阻性負(fù)載。反觀運(yùn)算放大器則是配置為向負(fù)載提供額定最大電流的同時(shí)提高電壓。此外，運(yùn)算放大器還可以配置為固定增益或可調(diào)增益，除了“簡(jiǎn)單”的電壓增益模塊外，還可用于各種拓?fù)洹?/div>
過去，像運(yùn)算放大器之類線性功能的大多數(shù)IC工藝的最大電壓限制約為50V。為了構(gòu)建高電壓運(yùn)算放大器，設(shè)計(jì)人員在輸出端加裝了外部分立高壓晶體管，以用作升壓器。在圖1所示的的電路中，使用了Analog Devices的LT1055精密JFET運(yùn)算放大器并搭配補(bǔ)償升壓晶體管來提供±120 V電壓。
圖1：為了提升運(yùn)算放大器的電壓輸出，一種方法是為Analog Devices的LT1055等基本器件加裝補(bǔ)償升壓晶體管，來利用運(yùn)算放大器的輸入特性；這種設(shè)計(jì)可輸出±120V電壓。(圖片來源：Analog Devices)
盡管這種方法奏效，但它的缺點(diǎn)是，與只使用IC相比，BOM更加復(fù)雜且昂貴，而且還有無法避免的布局問題。此外，另一個(gè)挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)并保持正負(fù)輸出擺幅的對(duì)稱性，同時(shí)最大限度地減小過零失真。造成這些問題的原因通常是元器件不匹配（主要是NPN和PNP晶體管）以及物理布局不平衡。
要選擇合適的高電壓運(yùn)算放大器，首先要評(píng)估與其他所有運(yùn)算放大器類似的參數(shù)，當(dāng)然具體的數(shù)值將有所不同。由于高電壓運(yùn)算放大器產(chǎn)品相對(duì)較少，因此這一過程比較簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)考慮因素主要包括以下三個(gè)方面：
最重要的因素包括：輸出電壓、輸出電流、帶寬、壓擺率，以及單極與雙極的性能對(duì)比
其他考慮因素有壓擺率和負(fù)載類型的限制，以及溫度引起的漂移誤差，這些誤差會(huì)顯示在輸出波形中
最后，還有避免熱過載、電流過大等其他影響所有放大器的問題
如何克服制約因素?
設(shè)計(jì)人員必須評(píng)估市面上有哪些高電壓運(yùn)算放大器，不僅能夠滿足上述第一條中的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，而且具有滿足要求的低誤差規(guī)格，還能夠提供足夠的內(nèi)置保護(hù)，或者可以搭配限流器件等外部保護(hù)措施。
要使器件性能幾乎滿足所有要求，需要有良好的判斷力。例如，有時(shí)市面上“最好”的運(yùn)算放大器也會(huì)存在某種欠缺，比如驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載時(shí)不穩(wěn)定、輸出電流能力不足，或者因過熱引起的漂移。設(shè)計(jì)人員需要決定是選擇其他具有不同缺點(diǎn)的運(yùn)算放大器，還是選擇最好的一種，然后擴(kuò)展其性能。
下面的示例說明了這種兩難境地：
容性負(fù)載:
Analog Devices的ADHV4702-1是一款高電壓精密運(yùn)算放大器（圖2）。該器件可以使用±110V雙對(duì)稱電源、非對(duì)稱電源或+220V單電源供電，并且輸出電壓可達(dá)±12V至±110V，同時(shí)電流可高達(dá)20mA。
170分貝 (dB) 的開環(huán)增益 (AOL) 是該器件高性能表現(xiàn)的一個(gè)關(guān)鍵因素。該器件能夠輕松驅(qū)動(dòng)中等容性負(fù)載，但隨著負(fù)載電容增大，傳遞函數(shù)的極點(diǎn)將發(fā)生偏移，從而導(dǎo)致輸出峰值，并且可能因相位裕度降低而出現(xiàn)不穩(wěn)定情況。
為解決這一問題，運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)人員提出了一種解決方案：在放大器輸出端與CLoad引腳之間加裝串聯(lián)電阻器，使器件能夠驅(qū)動(dòng)大于1微法 (µF) 的負(fù)載（圖2）
圖2：在放大器輸出端與CLOAD之間接入串聯(lián)電阻器 (RS)，將使ADHV4702-1能夠驅(qū)動(dòng)大于1μF的容性負(fù)載。(圖片來源：Analog Devices)
不過，加裝此電阻器可能導(dǎo)致中等負(fù)載峰值（圖 3）
圖3：圖2中的電路在單位增益、±110V供電電壓及VOUT = 100Vp-p時(shí)，最大峰值為2dB對(duì)應(yīng)的RS與CLOAD關(guān)系曲線圖。(圖片來源：Analog Devices)
如果對(duì)于應(yīng)用而言，即使2dB也是過大的負(fù)載峰值，ADHV4702-1還支持外部補(bǔ)償，可在補(bǔ)償引腳與接地之間接入電容器。通過正確選擇電阻器和電容器，可以確保容性負(fù)載的穩(wěn)定性，并在整個(gè)帶寬范圍內(nèi)具有幾乎平坦的響應(yīng)（圖4）。
圖4：在單位增益、±110V供電電壓、VOUT = 100Vp-p、Rf = 0Ω 及 CCOMP = 5.6皮法 (pF) 時(shí)，ADHV4702-1的小信號(hào)頻率響應(yīng)與外部補(bǔ)償?shù)年P(guān)系曲線圖。(圖片來源：Analog Devices)
更高輸出電流驅(qū)動(dòng)能力:
Texas Instruments的OPA454AIDDAR運(yùn)算放大器能從10V至 100V的單一電源分別提供±5V至±50V的輸出。這是ADHV4702-1額定輸出電壓值的一半（100V對(duì)200V），但其電流驅(qū)動(dòng)能力是后者的兩倍以上（50mA對(duì)20mA）。即便具有更大的拉/灌電流，但對(duì)于某些負(fù)載而言可能仍不夠，尤其是當(dāng)負(fù)載包含并聯(lián)的小負(fù)載時(shí)。
兩種方法可用于解決OPA454的這一問題。
第一種方法是將兩個(gè)（或更多）OPA454AIDDAR并聯(lián)（圖5）
圖5：將兩個(gè)OPA454AIDDAR運(yùn)算放大器并聯(lián)，可線性提升輸出電流能力。(圖片來源：Texas Instruments)
放大器A1用作主放大器，可以進(jìn)行任何運(yùn)算放大器配置，而不只是作為基本增益單元。放大器A2是從放大器，可以只有一個(gè)，也可以有多個(gè)。該放大器配置為單位增益緩沖器，用于在增加額外驅(qū)動(dòng)電流的同時(shí)跟蹤A1的輸出。
另一種方法是使用外部晶體管提高輸出電流，這種方法可以比使用單個(gè)放大器或多個(gè)從放大器獲得更大的電流（圖6）。
圖6：并聯(lián)OPA454器件的替代方法是使用外部輸出晶體管。這樣甚至可獲得更大的輸出電流。在本例中，這些晶體管可將輸出電流提高至1安培以上。(圖片來源：Texas Instruments)
使用所示的晶體管，該配置可提供1安培以上的電流。然而，與使用多個(gè)OPA454運(yùn)算放大器不同，補(bǔ)償晶體管對(duì)可能無法提供所需的無失真性和線性度。如果需要這么大的電流，而且使用晶體管是首選解決方案，則需要使用匹配的補(bǔ)償PNP/NPN晶體管對(duì)。
溫度系數(shù)和漂移:
與所有模擬元器件一樣，溫度系數(shù)也會(huì)影響運(yùn)算放大器的性能和精度，而且輸入失調(diào)溫度漂移 (dVOS/dT) 將出現(xiàn)在放大后的輸出中。對(duì)于 OPA454，在 –40°C至+85°C的額定環(huán)境溫度范圍內(nèi)，dVOS/dT規(guī)格很低，只有±1.6μV/°C（典型值）和±10μV/°C（最大值）。
如果此數(shù)值仍然太大，可以在高壓OPA454之前加裝一個(gè)所謂的“零漂移”運(yùn)算放大器作為前置放大器，以減少整體漂移（圖7）。使用Texas Instruments的OPA735作為零漂移前置放大器，可使高壓放大器的第一級(jí)溫度系數(shù)漂移保持在0.05μV/°C（最大值），減縮因數(shù)為200。
圖7：在OPA454的輸入路徑中加裝近零漂移運(yùn)算放大器OPA735，會(huì)生成一個(gè)輸入失調(diào)溫度漂移非常低的兩級(jí)高壓電路。(圖片來源：Texas Instruments)
考慮發(fā)熱問題和熱保護(hù)
即使電流水平可能為中等，但是根據(jù)公式“功率 = 電壓 × 電流”，由于高壓造成的內(nèi)部耗散可能仍然是一個(gè)問題。因此熱建模至關(guān)重要，首先從基本結(jié)溫計(jì)算公式著手:
TJ = TA + (PD × ΘJA)
其中TJ表示結(jié)溫，TA表示環(huán)境溫度，PD表示功率耗散，ΘJA表示結(jié)到環(huán)境的封裝熱阻。最后一項(xiàng)由安裝技術(shù)和環(huán)境決定，包括散熱、氣流和印刷電路板的銅。
認(rèn)識(shí)到發(fā)熱情況的存在及其重要性后，OPA454和ADHV4702-1等IC集成了熱關(guān)斷電路。例如，器件內(nèi)部溫度達(dá)到150°C時(shí)，OPA454的熱關(guān)斷電路可在輸出進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)的情況下觸發(fā)自動(dòng)熱關(guān)斷。此后該器件一直保持熱關(guān)斷狀態(tài)，直到溫度下降到130°C，此時(shí)IC會(huì)重新上電。這種滯后效應(yīng)可防止輸出在熱限值附近發(fā)生開/關(guān)震蕩。
耗散極限不是靜態(tài)輸出功率的單變量函數(shù)，它還受工作頻率和壓擺率的影響，這可能導(dǎo)致輸出級(jí)過熱。因此，對(duì)于任何此類驅(qū)動(dòng)器，研究安全工作區(qū)域 (SOA) 曲線圖都至關(guān)重要。讓我們首先從ADHV4702-1的靜態(tài)SOA開始（圖8）。
圖8：研究安全工作區(qū)域 (SOA) 曲線圖至關(guān)重要。ADHV4702-1的DC SOA由曲線下方的區(qū)域表示，曲線對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度分別為25°C和85°C，增益為20V，供電電壓為±110伏。（圖片來源：Analog Devices)
動(dòng)態(tài)SOA也是要關(guān)注的方面。ADHV4702-1采用了內(nèi)部壓擺率升壓電路來實(shí)現(xiàn)19兆赫 (MHz) 小信號(hào)帶寬和74伏/微秒 (µs) 的壓擺率，但這種升壓電路可能會(huì)消耗大電流，具體取決于信號(hào)。為此，使用ADHV4702-1加裝外部二極管可限制差分輸入電壓（圖9）。
圖9：在ADHV4702-1輸入端接入外部二極管，可通過限制該器件的差分輸入電壓，保護(hù)其不受升壓電路大電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)影響。（圖片來源：Analog Devices）
這樣可以在動(dòng)態(tài)工作時(shí)保護(hù)放大器，但會(huì)限制壓擺率和大信號(hào)帶寬，從而限制壓擺率升壓電路產(chǎn)生的電流，并減少內(nèi)部功率耗散（圖10）。
圖10：動(dòng)態(tài)SOA曲線圖，環(huán)境溫度為25°C和85°C，使用或不使用箝位二極管，其他條件與靜態(tài)SOA相同。（圖片來源：Analog Devices）
并非所有的高壓驅(qū)動(dòng)器都具有熱保護(hù)功能，因?yàn)閷扴OA對(duì)內(nèi)部電路限制過多。例如，Apex Microtechnology的PA52是一款高電壓、高功率放大器，可以50V/µs壓擺率在200V的單極或雙極電壓擺幅范圍內(nèi)，提供最大40安培（連續(xù)）/80安培（峰值）的電流。由于耗散水平可能相當(dāng)高，因此該器件的SOA圖是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵元素，覆蓋直流模式和脈沖模式（圖11）。
圖11：像Apex Microtechnology的PA52這樣的高電壓 (±100 V)、高電流（80/40安培）放大器的SOA變化范圍較廣，具體取決于器件在穩(wěn)態(tài)模式還是脈沖模式下工作。（圖片來源：Apex Microtechnology）
對(duì)于PA52，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)想在輸出端與負(fù)載之間加裝外部高壓側(cè)電流檢測(cè)電阻器，以測(cè)量輸出電流，進(jìn)而估算功率。要選擇此電阻器的型號(hào)，必須權(quán)衡高電阻值與低電阻值。較高的電阻值可帶來較大的信號(hào)和更高的信噪比 (SNR)，而較低的電阻值能盡量降低電阻器的自身耗散，但也會(huì)減小提供的輸出功率。
一個(gè)很好的著手點(diǎn)是，在最大負(fù)載電流時(shí)讓電阻器兩端的電壓為100mV，以此原則來選擇電阻值。此外，檢測(cè)電路必須與高共模電壓 (CMV) 相兼容。在多數(shù)情況下，還必須使用隔離檢測(cè)電路，原因有多種，包括：檢測(cè)到信號(hào)的完整性、保護(hù)電路其余部分以及用戶安全。
不能忽視的供電和監(jiān)管問題
考慮高壓放大器遠(yuǎn)非原理圖和BOM那么簡(jiǎn)單，物理布局的細(xì)節(jié)也至關(guān)重要。對(duì)于工作電壓超過60V的電路，存在實(shí)現(xiàn)安全問題和標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)際值取決于最終應(yīng)用和所在的國家/地區(qū)）。對(duì)于這些高壓設(shè)計(jì)，用戶必須決定如何將高電壓與更安全的低電壓隔離。為此可能需要使用一種或多種機(jī)械方法，例如隔離柵、聯(lián)鎖、絕緣或間距。
此外，布局還必須滿足針對(duì)元器件和電路板印制線的最小爬電距離和凈空尺寸法規(guī)要求，以免發(fā)生電弧放電和飛弧現(xiàn)象。這些尺寸由電壓和預(yù)期工作環(huán)境決定（潮濕、充滿灰塵，還是清潔、干燥）。一種可取的做法是，聘請(qǐng)?jiān)擃I(lǐng)域的專家作為顧問，因?yàn)檫@些標(biāo)準(zhǔn)細(xì)節(jié)繁冗，而且正式的審批流程既要求分析設(shè)計(jì)布局、結(jié)構(gòu)、尺寸和材料，還需要建立測(cè)試驗(yàn)證模型。
在理論上，電壓由低到高的AC/DC或DC/DC供電比較簡(jiǎn)單，可以結(jié)合使用全波整流器（用于AC）以及由二極管和電容器組成的倍壓器電路來構(gòu)建。然而，在高壓供電設(shè)計(jì)中有很多實(shí)際問題，例如如何確保這些無源器件具有合適的額定電壓。
甚至供電位置也是個(gè)問題。在只有低壓供電（大約幾十伏或更低）的應(yīng)用中，一種可取的做法是將低壓電線連接到位于高電壓運(yùn)算放大器附近的阻斷倍壓器。但是，低壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生額外的電流消耗，即在這些電線中生成更大的電流-電阻 (IR) 壓降和I2R功率損耗，而這一缺陷可能會(huì)超過隔離帶來的優(yōu)點(diǎn)。另一種方法是遠(yuǎn)距離連接高壓線路，這樣可以降低損耗，但會(huì)增加安全性和法規(guī)限制。
決策：自建還是購買？
無論布置方式如何，除非設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)知識(shí)淵博且經(jīng)驗(yàn)豐富，否則最好選擇購買高壓電源，而不是自行嘗試設(shè)計(jì)和構(gòu)建。這種電源涉及的問題很多，要獲得認(rèn)證也比較困難。電源不僅僅是把輸入電壓轉(zhuǎn)換為所需的輸出電壓，還必須：
精確而穩(wěn)定
滿足波紋和瞬態(tài)性能目標(biāo)
集成各種保護(hù)和關(guān)斷功能
符合EMI標(biāo)準(zhǔn)
此外，可能還必須進(jìn)行電隔離
市面上銷售的高壓電源有很多，從低電流型號(hào)到可提供數(shù)安培或更大電流的型號(hào)應(yīng)有盡有。例如，由XP Power的EMCO高壓部門推出的FS02-15是一款安裝在印刷電路板上的隔離式高壓模塊（圖12）。該器件的尺寸為2.25英寸(長(zhǎng)) × 1.1英寸(寬) × 0.5英寸(高)（57mm × 28.5 mm × 12.7 mm），使用15伏直流電源供電，50mA時(shí)輸出200V(±100 V)。該模塊滿足所有性能和法規(guī)要求，同時(shí)集成了全功能電源現(xiàn)有以及未來應(yīng)有的標(biāo)準(zhǔn)功能。
圖12：像XP Power的FS02-15這樣的現(xiàn)成電源使用12伏電源軌供電，50mA時(shí)輸出±100V，避免了為高電壓運(yùn)算放大器提供安全隔離式電源的相關(guān)設(shè)計(jì)和監(jiān)管問題。（圖片來源：XP Power）
總 結(jié)
高電壓運(yùn)算放大器在很多電子系統(tǒng)中必不可少，包括儀表、醫(yī)療、物理、壓電變送器、激光二極管等系統(tǒng)。雖然設(shè)計(jì)人員可以使用與這些系統(tǒng)電壓兼容的運(yùn)算放大器，但考慮到運(yùn)算放大器在工作電壓大于100伏時(shí)存在性能、熱管理、法規(guī)和安全問題，他們必須清楚這些放大器的屬性和限制。
小編的話
高電壓運(yùn)算放大器，在龐大的運(yùn)算運(yùn)算放大器家族中只能算是一個(gè)分支，因此平時(shí)我們對(duì)其的關(guān)注也并不多。但越是這樣“另類”的器件和應(yīng)用，越容易成為我們研發(fā)道路上的“坑”，一不留神就會(huì)摔跟頭。本文作者，將他所知道的高壓運(yùn)放選型和應(yīng)用中的種種難點(diǎn)和制約因素都列舉了出來，這確實(shí)為我們提供了一份難得的應(yīng)用開發(fā)指南。
原創(chuàng)： Bill Schweber 得捷電子DigiKey
