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通过自举扩展运算放大器工作范围


  来源: 21IC中国电子网 时间:2019-01-23 编辑:思杨
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当现成的运算放大器(op amp)不能提供特定应用所需的信号摆幅范围时,工程师面临两种选择:使用高压运算放大器或设计分立解决方案——这两种选择的成本可能都很高。对许多应用来说,第三种选择——自举——可能是比较廉价的替代方案。除了动态性能要求极为苛刻的应用,自举电源电路的设计是相当简单的。

建议读者阅读Grayson King和Tim Watkins撰写的优秀技术文章——“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),其中阐明了自举放大器应用的众多事项。


自举简介

常规运算放大器要求其输入电压在其电源轨范围内。如果输入信号可能超过电源轨,可以通过电阻衰减过大输入,使这些输入降至电源范围以内的电平。这样处理并不理想,因为它会对输入阻抗、噪声和漂移产生不利影响。同样的电源轨也会限制放大器输出,闭环增益的大小存在一个限值,以避免将输出驱动到饱和状态。

因此,如果要求处理输入和/或输出上的大信号偏离,则需要宽电源轨和能在这些电源轨上工作的放大器。ADI公司的220 V ADHV4702-1是适合这种情况的出色选择,不过自举低压运算放大器也能满足应用要求。是否使用自举主要取决于动态要求和功耗限制。

自举会创建一个自适应双电源,其正负电压不是以地为基准,而是以输出信号的瞬时值为基准,有时称之为飞轨(flying rail)配置。在这种配置中,电源随着运算放大器的输出电压(VOUT)上下移动。因此,VOUT始终处于中间电源电压,并且电源电压能够相对于地移动。使用自举可以非常容易地实现这种自适应双电源。

实际上,自举必须符合一些准则,有些准则微不足道,但没有一个准则是特别麻烦的。如下是最基本的准则:

•输出负载不得过大。

•响应速度不得低于运算放大器的压摆率。

•必须能处理所需的电压水平和相关的功耗。


工作原理

飞轨概念是指正负电源轨连续调整,使其电压始终关于输出电压对称。这样,输出始终位于电源范围内。

电路架构包括一对互补分立晶体管和一个阻性偏置网络。NPN发射极(或N沟道MOSFET的源极引脚)提供VCC,PNP发射极(或P沟道MOSFET的源极引脚)用作VEE。晶体管被偏置,使得所需的电源电压出现在放大器的+VS和-VS引脚上,这些电压通过电阻分压器从高压电源获得。图1显示了简化高压跟随器原理图。



图1.简化高压跟随器原理图


理论上,自举可以为任何运算放大器提供任意高的信号顺从电压。而在实际上,电源调整比例越大,动态性能越差,因为运算放大器的压摆率限制了电源对动态信号的响应速度。放大器在最大额定电源电压或接近该电压下工作时,电源引脚为跟上动态信号而需要横越的范围最小。当运算放大器在接近其最高额定电源电压下工作时,其他误差源(如噪声增益)也会降低(参见“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)。

不需要电源移动很远(或非常快)的低频和直流应用,是自举的最佳候选应用。因此,高压放大器能提供比动态特性相当的低压放大器更好的动态性能,尤其是当二者均偏置为各自的最大工作电源电压并且自举到相同信号范围时。自举也会影响直流性能,因此在直流精度和高电压两方面均经过优化的运算放大器可提供自举配置能实现的最佳直流和交流性能组合。


采用ADHV4702-1的范围扩展器的设计考虑

关键词:运算放大器 直流偏置电 场效应晶体管    浏览量:3839

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