即使對(duì)于最優(yōu)秀的模擬設(shè)計(jì)師來說，高電壓放大器電路的設(shè)計(jì)也是充滿挑戰(zhàn)的。大多數(shù)市售放大器都被限制為使用 ±15V 或更低的電源。隨著半導(dǎo)體制造工藝采用精細(xì)線幾何尺寸，許多新型放大器被限制在更低的電壓，比如 5V 乃至 3.6V。然而，對(duì)于較高電壓電路的需求依舊存在。雖然可以使用分立式電路來擴(kuò)展較低電壓運(yùn)算放大器的輸入或輸出工作電壓范圍，但由于匹配問題、電路板空間限制和散熱要求的原因，這樣的做法對(duì)于設(shè)計(jì)會(huì)頗為棘手。而新型高精度單片式運(yùn)算放大器 (包括 LTC6090、 LTC2057 和 LT6016) 的面市則簡(jiǎn)化了高電壓模擬信號(hào)鏈路的設(shè)計(jì)。
新型 LTC6090 運(yùn)放通過專有電路與布局方法的組合運(yùn)用，將其電源電壓擴(kuò)展至 ±70V，而并未犧牲高精度運(yùn)放期待擁有的特性。該器件采用了一種 MOS 輸入級(jí)設(shè)計(jì)，輸入偏置電流通常為 3pA (在 25°C)。輸入失調(diào)電壓小于 1.6mV，噪聲為 11nV/√Hz (在 10kHz)。輸入共模范圍擴(kuò)展至任一電源軌的 3V 以內(nèi) (134V，橫跨 140V 電源)。其軌至軌輸出級(jí)允許 LTC6090 驅(qū)動(dòng)接近 140VP-P 的信號(hào) (圖 1)。LTC6090 采用節(jié)省空間的 8 引腳 SOIC 封裝和 16 引腳 TSSOP 封裝。這兩種封裝均具有用于降低熱阻的裸露襯墊，有利于實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的熱設(shè)計(jì)。一個(gè)至低電壓控制線的簡(jiǎn)易型接口和內(nèi)置的熱安全特性可簡(jiǎn)化高電壓模擬設(shè)計(jì)任務(wù)。
圖 1：LTC6090 輸出電壓 140VP-P 10kHz 正弦波
用于高動(dòng)態(tài)范圍的高電壓電路
圖 2 給出的例子說明了怎樣采用一個(gè)高電壓放大器來改善動(dòng)態(tài)范圍�？缱杩狗糯笃麟娐沸枰扇≈�(jǐn)慎的設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)足夠低的噪聲和高帶寬。電路的噪聲取決于反饋電阻器和放大器所產(chǎn)生的噪聲。增益與反饋電阻值成正比，而電阻器噪聲則與電阻值的平方根成正比。因此，電路的信噪比隨著電阻的增大而改善，改善系數(shù)為 √R。采用一個(gè) 125V 正電源軌將允許電路以一個(gè) 1MΩ (MV/A) 的高跨阻抗增益值運(yùn)作。隨后衰減放大器的輸出以使 VOUT 信號(hào)介于 0V 和 12V 之間，且噪聲在 1kHz 至 40kHz 的頻段內(nèi)僅為 21μVRMS (即 1.75 ppm)。
圖 2：擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍 1M 跨阻抗光電二極管放大器
偏置和漏電流
在光電二極管和其他高阻抗換能器應(yīng)用中，必須考慮放大器輸入偏置電流。LTC6090 的低輸入偏置電流使其成為高阻抗應(yīng)用的絕佳選擇。如圖 3 所示，輸入偏置電流與溫度之間存在對(duì)數(shù)關(guān)系，溫度每升高 10°C 輸入偏置電流將倍增一次，然而在 125°C 溫度下仍然保持低水平。
圖 3：LTC6090 輸入偏置電流與結(jié)溫的關(guān)系曲線
由于輸入端可接受高電壓，因此應(yīng)特別謹(jǐn)慎地避免會(huì)引起測(cè)量誤差的漏電流。在保護(hù)關(guān)鍵型應(yīng)用中，采用特殊的低漏電電路板材料或許是有益的，因?yàn)槠淇勺鳛楸Ｗo(hù)環(huán)。LTC6090 的 TSSOP 封裝包括 8 個(gè)保護(hù)引腳，這些引腳可用于在關(guān)鍵輸入節(jié)點(diǎn)的周圍形成保護(hù)環(huán)，如圖 4 所示。請(qǐng)注意，應(yīng)當(dāng)穿過保護(hù)環(huán)拉回焊料掩模以裸露 PCB 金屬。PCB 必須整潔干燥，這一點(diǎn)很重要。建議采用溶劑對(duì)電路板進(jìn)行清潔，并用自來水沖洗任何的殘留物，然后對(duì)電路板實(shí)施烘烤以除去所有的水分�；蛘�，用肥皂和自來水 (不帶溶劑) 徹底洗滌電路板亦可產(chǎn)生很好的效果。
圖 4：PCB 保護(hù)環(huán)布局示例
高電壓 DAC 緩沖器
高電壓放大器的另一個(gè)用途是對(duì)較低壓的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 進(jìn)行緩沖。在測(cè)試設(shè)備中，有可能必需產(chǎn)生任意的高電壓以滿足多種應(yīng)用的需要，而且在某些控制應(yīng)用中，大電壓信號(hào)適用于驅(qū)動(dòng)激光器、壓電組件和其他換能器或引導(dǎo)光束。如圖 5 所示，可以使用諸如 LTC6090 等高電壓放大器。在該例中，從一個(gè) 2.5V DAC 輸出產(chǎn)生了一個(gè) 140VP-P 電壓。
圖 5：高電壓 DAC 緩沖器
熱考慮
在 140V 的總電源電壓和 2.7mA 的典型靜態(tài)電流條件下，LTC6090 的功耗為 378mW。添加一個(gè)負(fù)載功耗就會(huì)超過 1W，因而優(yōu)良的熱設(shè)計(jì)成為需要的優(yōu)先考慮。SOIC 和 TSSOP 這兩種版本在封裝底部都具有一個(gè)裸露襯墊，該裸露襯墊在內(nèi)部連接至負(fù)電源軌 V–。封裝的熱阻與焊接至裸露襯墊的金屬量成正比，所以在實(shí)際條件允許的情況下最好是把裸露襯墊連接到一塊盡可能大的 PCB 金屬平面。在熱布局良好的情況下，SO 封裝的熱阻 ΘJA 為 33°C/W。當(dāng)產(chǎn)生 1W 功耗時(shí)，芯片的結(jié)溫將上升至比環(huán)境溫度高 33°C。
一種重要的輸出停用 (OD) 功能可在結(jié)溫變得過高時(shí)關(guān)斷輸出級(jí)，以避免 LTC6090 超過 150°C 的結(jié)溫。這是通過把過熱引腳 (TFLAG) 連接至 OD 引腳來完成的。當(dāng)芯片結(jié)溫達(dá)到 145°C 時(shí)，漏極開路 TFLAG 引腳將被拉至低電平。當(dāng)結(jié)溫達(dá)到 140°C 時(shí)，5°C 的內(nèi)置遲滯將導(dǎo)致 TFLAG 引腳復(fù)位。將低電平有效的 OD 引腳拉至低電平 (相對(duì)于 COM 引腳)可關(guān)斷輸出級(jí)，這接著又把器件的靜態(tài)電流減低至 670μA。COM 引腳為 OD 和 TFLAG 引腳所公用，可提供 LTC6090 的低電壓控制。當(dāng) TFLAG和 OD 引腳連接在一起時(shí)，LTC6090 將在芯片結(jié)溫達(dá)到 145°C 時(shí)停用。請(qǐng)注意，這些引腳既可以浮置，也可以連接在一起。
一種附加的熱安全特性可在芯片結(jié)溫達(dá)到約 175°C 時(shí)關(guān)斷輸出級(jí)。7°C 的內(nèi)置遲滯可在芯片結(jié)溫回落至大約 168°C 時(shí)使輸出級(jí)接通。該特性旨在避免器件遭受災(zāi)難性的熱故障。在高于其 150°C 的絕對(duì)最大結(jié)溫下運(yùn)作 LTC6090 會(huì)降低其可靠性，應(yīng)對(duì)這種做法加以阻止。
結(jié)論
諸如 LTC6090 等放大器既擁有高性能精準(zhǔn)放大器的高性能規(guī)格指標(biāo)，同時(shí)又可在采用 ±70V 電源時(shí)工作，因而簡(jiǎn)化了高電壓精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。保護(hù)引腳實(shí)現(xiàn)了優(yōu)良的低漏電 PCB 設(shè)計(jì)，而 TFLAG、OD 和 COM 引腳則簡(jiǎn)化了上佳的熱設(shè)計(jì)。LTC6090 與近期推出的 LTC2057 和 LT6016 相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)眾多超過 ±15V 的高電壓電路設(shè)計(jì)。LTC2057 具有 60V 操作、一個(gè)零漂移輸入級(jí)和低噪聲操作特性，以實(shí)現(xiàn)最佳的高精度和穩(wěn)定的 DC 性能。LT6015 / LT6016 / LT6017 是單 / 雙 / 四路運(yùn)算放大器，具有 Over-the-Top® 輸入，其允許在輸入共模電壓高出負(fù)電源軌達(dá) 76V 的情況下正常運(yùn)作，而不受電源電壓的影響。
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