當(dāng)現(xiàn)成的運(yùn)算放大器(op amp)不能提供特定應(yīng)用所需的信號(hào)擺幅范圍時(shí)，工程師面臨兩種選擇：使用高壓運(yùn)算放大器或設(shè)計(jì)分立解決方案——這兩種選擇的成本可能都很高。對(duì)許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，第三種選擇——自舉——可能是比較廉價(jià)的替代方案。除了動(dòng)態(tài)性能要求極為苛刻的應(yīng)用，自舉電源電路的設(shè)計(jì)是相當(dāng)簡(jiǎn)單的。
建議讀者閱讀Grayson King和Tim Watkins撰寫的優(yōu)秀技術(shù)文章——“通過(guò)運(yùn)算放大器自舉產(chǎn)生寬電壓擺幅”(EDN雜志，1999年5月13日)，其中闡明了自舉放大器應(yīng)用的眾多事項(xiàng)。
自舉簡(jiǎn)介
常規(guī)運(yùn)算放大器要求其輸入電壓在其電源軌范圍內(nèi)。如果輸入信號(hào)可能超過(guò)電源軌，可以通過(guò)電阻衰減過(guò)大輸入，使這些輸入降至電源范圍以內(nèi)的電平。這樣處理并不理想，因?yàn)樗鼤?huì)對(duì)輸入阻抗、噪聲和漂移產(chǎn)生不利影響。同樣的電源軌也會(huì)限制放大器輸出，閉環(huán)增益的大小存在一個(gè)限值，以避免將輸出驅(qū)動(dòng)到飽和狀態(tài)。
因此，如果要求處理輸入和/或輸出上的大信號(hào)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公司的220 V ADHV4702-1是適合這種情況的出色選擇，不過(guò)自舉低壓運(yùn)算放大器也能滿足應(yīng)用要求。是否使用自舉主要取決于動(dòng)態(tài)要求和功耗限制。
自舉會(huì)創(chuàng)建一個(gè)自適應(yīng)雙電源，其正負(fù)電壓不是以地為基準(zhǔn)，而是以輸出信號(hào)的瞬時(shí)值為基準(zhǔn)，有時(shí)稱之為飛軌(flying rail)配置。在這種配置中，電源隨著運(yùn)算放大器的輸出電壓(VOUT)上下移動(dòng)。因此，VOUT始終處于中間電源電壓，并且電源電壓能夠相對(duì)于地移動(dòng)。使用自舉可以非常容易地實(shí)現(xiàn)這種自適應(yīng)雙電源。
實(shí)際上，自舉必須符合一些準(zhǔn)則，有些準(zhǔn)則微不足道，但沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)則是特別麻煩的。如下是最基本的準(zhǔn)則：
?輸出負(fù)載不得過(guò)大。
?響應(yīng)速度不得低于運(yùn)算放大器的壓擺率。
?必須能處理所需的電壓水平和相關(guān)的功耗。
工作原理
飛軌概念是指正負(fù)電源軌連續(xù)調(diào)整，使其電壓始終關(guān)于輸出電壓對(duì)稱。這樣，輸出始終位于電源范圍內(nèi)。
電路架構(gòu)包括一對(duì)互補(bǔ)分立晶體管和一個(gè)阻性偏置網(wǎng)絡(luò)。NPN發(fā)射極(或N溝道MOSFET的源極引腳)提供VCC，PNP發(fā)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(xiàn)在放大器的+VS和-VS引腳上，這些電壓通過(guò)電阻分壓器從高壓電源獲得。圖1顯示了簡(jiǎn)化高壓跟隨器原理圖。
圖1.簡(jiǎn)化高壓跟隨器原理圖
理論上，自舉可以為任何運(yùn)算放大器提供任意高的信號(hào)順從電壓。而在實(shí)際上，電源調(diào)整比例越大，動(dòng)態(tài)性能越差，因?yàn)檫\(yùn)算放大器的壓擺率限制了電源對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)的響應(yīng)速度。放大器在最大額定電源電壓或接近該電壓下工作時(shí)，電源引腳為跟上動(dòng)態(tài)信號(hào)而需要橫越的范圍最小。當(dāng)運(yùn)算放大器在接近其最高額定電源電壓下工作時(shí)，其他誤差源(如噪聲增益)也會(huì)降低(參見“通過(guò)運(yùn)算放大器自舉產(chǎn)生寬電壓擺幅”，EDN雜志，1999年5月13日)。
不需要電源移動(dòng)很遠(yuǎn)(或非常快)的低頻和直流應(yīng)用，是自舉的最佳候選應(yīng)用。因此，高壓放大器能提供比動(dòng)態(tài)特性相當(dāng)?shù)牡蛪悍糯笃鞲玫膭?dòng)態(tài)性能，尤其是當(dāng)二者均偏置為各自的最大工作電源電壓并且自舉到相同信號(hào)范圍時(shí)。自舉也會(huì)影響直流性能，因此在直流精度和高電壓兩方面均經(jīng)過(guò)優(yōu)化的運(yùn)算放大器可提供自舉配置能實(shí)現(xiàn)的最佳直流和交流性能組合。
采用ADHV4702-1的范圍擴(kuò)展器的設(shè)計(jì)考慮
