接下来考虑FET的栅极电容,因为它会与偏置电阻一起形成一个低通滤波器。击穿电压较高的FET往往具有较高的栅极电容,而且偏置电阻往往为100 kΩ,因此不需要多少栅极电容就能显著降低电路的速度。从制造商的数据手册中获得栅极电容值,计算RTOP和RBOT并联组合所形成的极点频率。
偏置网络的频率响应必须始终快于输入和输出信号,否则放大器的输出可能超出其自身的电源范围。暂时偏离到放大器电源轨之外会有损坏输入的风险,而暂时饱和或压摆受限会有造成输出失真的风险。任何一种状况都可能导致负反馈暂时丢失和不可预测的瞬态行为,甚至可能因为某些运算放大器架构中的相位反转而闩锁。
性能
直流线性度
图2显示了增益误差与输入电压的关系(直流线性度),增益为20,电源为±140 V。
图2.增益误差与输入电压的关系
压摆率
图3显示了压摆率曲线,增益为20,电源为±140 V,测量值为20.22 V/μs。
图3.压摆率
实现更高速度的权衡
功耗
如前所述,工作电压较高时,FET的击穿电压(和相关的栅极电容)以及电阻值也必须较高。较高的电阻和电容值都会造成带宽降低,唯一可用的调整因素是电阻值。降低电阻值会提高带宽,但代价是功耗增加。空间低阻值、高功率的电阻尺寸较大,需占用较多电路板空间。以电容的形式在RBOT上增加一些引线补偿可以改善电路的频率响应。此电容与RBOT和RTOP电阻形成一个零点,抵消FET栅极电容所形成的极点。极点和零点相消,因此可以选择更高阻值的电阻,从而降低直流功耗。
结论
在需要较高电压但使用典型高压运算放大器不经济的应用中,常常会让常规运算放大器自举。自举有其优点和缺点。还有一个选择,ADHV4702-1提供一种高达220 V的精密高性能解决方案,无需自举。但是,当信号范围要求超过220 V时,该器件可以自举以处理超过标称信号范围两倍以上的电压,同时提供比自举低压放大器更高的性能。
参考文献
Grayson King和Tim Watkins。“通过运算放大器自举产生宽电压摆幅”,EDN杂志,1999年5月13日。维基百科,“自举”,2018年9月1日。