【導讀】大部分工程師大概沒有多少機會應用到高壓（60V至100V以上）運算放大器，但實際上在很多應用中由于輸入信號性質或輸出負載特征的要求，需要運算放大器在高電壓范圍內工作。這類應用包括噴墨打印機和3D打印機中的壓電驅動器、超聲波變送器及其他醫療器械、ATE驅動器和電場源等。
以業界首款220V高性能精密運算放大器ADHV4702－1為例，這款ADI公司推出的放大器可以幫助工程師解決多個設計難題，用于多種不同應用，例如自動化測試設備、生命科學和醫療保健等：在自動化測試設備應用中，該器件可用于測量高壓側的電流，以及生成精準的高壓電源；在生命科學領域，本產品可以對質譜系統實施精準的高壓控制；在醫療應用中，可用于準確控制硅光電倍增管的偏壓點。
應對這些獨特需求，你需要一個高壓放大器
實際上，使用高電壓運算放大器的典型應用數量及類型很多，其中大多數應用需要高電壓，而且在將低壓輸入信號放大到增益倍數時，還需要精確控制。在多數情況下，這些信號不是高壓開／關信號，因而需要使用線性放大器，而不是更簡單的高壓開關。
此類運算放大器與常規的運算放大器有所不同，因為它們必須滿足感性或容性負載的壓擺率要求，需要精確調節的電源，而且一旦電壓超過60V，設計人員就會面臨嚴格的穩壓要求。此外，根據應用的不同，可能還會出現大電流，導致熱管理問題。
值得一提的是，此類應用并不是常見的高壓與高功率“相伴”，不少這樣的系統在較高的電壓范圍內工作而電流在10至100mA之間（例如ADHV4702－1的輸出電流典型值為20mA），因此工程師設計的重點更多強調控制和提供所需的電壓而不是管理產生的熱量。
新型高壓運放為傳統解決方案帶來性能突破
高電壓運算放大器與傳統放大器有所不同。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載。反觀運算放大器則是配置為向負載提供額定最大電流的同時提高電壓。此外，運算放大器還可以配置為固定增益或可調增益，除了“簡單”的電壓增益模塊外，還可用于各種拓撲。
過去，像運算放大器之類線性功能的大多數IC工藝的最大電壓限制約為50V。為了構建高電壓運算放大器，設計人員在輸出端加裝了外部分立高壓晶體管，以用作升壓器。以ADI公司的LT1055精密JFET運算放大器為例，通常需要搭配補償升壓晶體管，利用運算放大器的輸入特性來提供±120 V電壓。
盡管這種方法奏效，但它的缺點是BOM成本更高且更加復雜，而且帶來PCB布局的挑戰。此外，另一個挑戰是實現并保持正負輸出擺幅的對稱性，同時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以及物理布局不平衡。
高電源電壓運算放大器用于要求最寬動態范圍和最佳信噪比的系統，新型高壓放大器還提供更多特性來改進系統性能，降低成本、提高魯棒性，同時簡化系統設計的復雜度。新特性包括：集成輸入過壓保護（OVP）、片內電磁干擾（ EMI ）濾波、更高的靜電放電（ESD）抑制能力，以及加電和未加電工作模式下的更強防閂鎖功能。
采用業界首款高電壓、高性能的精密運算放大器滿足設計挑戰
要選擇合適的高電壓運算放大器，首先要評估與其他所有運算放大器類似的參數，當然具體的數值將有所不同。由于高電壓運算放大器產品相對較少，因此這一過程比較簡單。設計考慮因素主要包括以下三個方面：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比。其他考慮因素有壓擺率和負載類型的限制，以及溫度引起的漂移誤差，這些誤差會顯示在輸出波形中。此外，還需要考慮避免熱過載、電流過大等其他影響所有放大器的問題。
上面提及的ADHV4702－1是一款高電壓精密運算放大器，該器件可以使用±110V雙對稱電源、非對稱電源或＋220V單電源供電，并且輸出電壓可達±12V至±110V，同時電流可高達20mA。170 dB的開環增益是該器件高性能表現的一個關鍵因素。
如果對于應用而言，即使2dB也是過大的負載峰值，ADHV4702－1還支持外部補償，可在補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，可以確保容性負載的穩定性，并在整個帶寬范圍內具有幾乎平坦的響應。
由于ADHV4702－1的集成特性大大簡化了材料清單，有助于縮短開發時間，降低生產成本。此外，其每根電壓軌都具備廣泛的輸入共模電壓范圍，輸出擺幅幾乎是軌到軌。為了提高精度，這款放大器采用170dB典型開環增益，典型CMRR為160dB，輸入失調電壓最大1mV，失調電壓漂移2uV／ oC。另外值得一提的是，它還具有一些獨特功能，例如可調供電電流、回轉升壓電路和靈活的EPAD偏壓，這些功能讓其成為各類應用的理想高壓解決方案
結束語
考慮高壓放大器遠非原理圖和BOM那么簡單， 電路板 的布局布線設計也非常重要。此外，對于工作電壓超過60V的電路，存在實現安全問題和標準，需要考慮方案的安全特性（ADHV4702－1符合IEC 61010－1爬電距離和間隙標準），設計中必須決定如何將高電壓與更安全的低電壓隔離，并在布局中滿足針對元器件和電路板印制線的最小爬電距離和凈空尺寸法規要求，以免發生電弧放電和飛弧現象。ADHV4702－1無論VCC或VEE電壓是多少，其EPAD的高壓隔離功能都可以將EPAD安全地偏置到0 V GND平面。
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