【導(dǎo)讀】如今，有許多模擬電路對(duì)話都集中在低功耗和低電壓方面。當(dāng)然，這對(duì)運(yùn)算放大器來(lái)說(shuō)很有意義，因?yàn)檫@些基本的模擬單元電路經(jīng)常被用作1V以?xún)?nèi)低電平傳感器信號(hào)的緩沖器或放大器。
如今，有許多模擬電路對(duì)話都集中在低功耗和低電壓方面。當(dāng)然，這對(duì)運(yùn)算放大器來(lái)說(shuō)很有意義，因?yàn)檫@些基本的模擬單元電路經(jīng)常被用作1V以?xún)?nèi)低電平傳感器信號(hào)的緩沖器或放大器。
盡管如此，仍有大量模擬電源相關(guān)的電路專(zhuān)門(mén)用于實(shí)現(xiàn)較高電壓的控制。在某些情況下，這是個(gè)支持高效輸電的問(wèn)題，因?yàn)樵诮o定的功率水平下，較高的電壓會(huì)需要較小的電流，因此產(chǎn)生的IR電壓降和I2R功率損耗也較小。但是，對(duì)于許多這些較高電壓的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這并不是電源本身的問(wèn)題，相反，只是由于物理定律，即使電流較低或不太大，也需要較高的電壓。這些應(yīng)用包括在超聲系統(tǒng)中廣泛使用的壓電傳感器、基于壓電的精密納米范圍定位器、激光雷達(dá)（LIDAR）系統(tǒng)中的雪崩光電二極管（APD）、單光子雪崩二極管（SPAD）的偏置，以及半導(dǎo)體自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE）。
不久以前，要調(diào)整運(yùn)算放大器來(lái)提供大約50V或更高的電壓還是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。通常，這是從15V至24V范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器開(kāi)始，然后使用分立晶體管提高其輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)的。從原理上看，這個(gè)電路使用PNP和NPN互補(bǔ)器件實(shí)現(xiàn)，非常簡(jiǎn)單（圖1）。但是，要實(shí)現(xiàn)對(duì)稱(chēng)性能卻非常困難，更好的電路需要使用更多的無(wú)源元件（圖2）。
圖1：這個(gè)基本電路使用一對(duì)互補(bǔ)式分立晶體管來(lái)增大低電壓運(yùn)算放大器的輸出擺幅。圖片來(lái)源：DIYstompboxes/Simple Machines Forum
圖2：為了確保在輸出擺幅范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)稱(chēng)和線性的性能，改進(jìn)的升壓電路需要使用大量元器件。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1，圖9
在所有的負(fù)載和其他條件下，全面表征性能會(huì)非常耗時(shí)，并且需要根據(jù)這些附加元件不可避免的公差進(jìn)行分析。也有預(yù)封裝的混合器件對(duì)高電壓有效。這類(lèi)器件將運(yùn)放與必需的相關(guān)元器件一起封裝在一個(gè)小封裝中，從電氣上看起來(lái)就像個(gè)運(yùn)放，但具有更高的電壓能力以及過(guò)載和熱保護(hù)功能。
幸運(yùn)的是，在最近幾年中，IC供應(yīng)商努力克服了將模擬器件限制在較低電壓下的工藝限制。例如，德州儀器（TI）OPA462高壓（180V）、大電流（典型值為30mA，最大45mA）運(yùn)算放大器采用±6V（12V）至±90V（180V）雙極性電源工作，并具有6.5MHz增益帶寬積和32V/μs壓擺率（圖3）。該封裝小巧的尺寸令人印象深刻，其主體尺寸約為5mm×4mm（加上外部引線）。
圖3：德州儀器的OPA462運(yùn)算放大器可提供±90V的輸出，同時(shí)提供30mA的典型電流。圖片來(lái)源：德州儀器
TI并不是最近進(jìn)入這些更高電壓運(yùn)算放大器領(lǐng)域的唯一一家公司。ADI公司有一款24V至220V的精密運(yùn)算放大器ADHV4702-1，可以使用對(duì)稱(chēng)或非對(duì)稱(chēng)電源供電（圖4）。該運(yùn)算放大器的典型壓擺率高達(dá)74V/μs，并具有10MHz的小信號(hào)帶寬。這款12引線器件的尺寸僅為7mm×7mm，符合IEC 61010-1“Safety requirements for electrical equipment for measurement, control, and laboratory use – Part 1: General requirements”（測(cè)量、控制和實(shí)驗(yàn)室用電氣設(shè)備的安全要求——第1部分：一般要求）對(duì)間距的規(guī)定（參考文獻(xiàn)2和3）。
圖4：ADI的ADHV4702-1是一款220V器件，可以使用對(duì)稱(chēng)或非對(duì)稱(chēng)雙極性電源供電。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)7，第3頁(yè)
不幸的是，即使是在與電源相關(guān)的電子工程課程中，也沒(méi)有對(duì)這些更高電壓的運(yùn)算放大器或設(shè)計(jì)情況做太多的討論或動(dòng)手研究。我知道有很多內(nèi)容要講，而坐在這兒在鍵盤(pán)邊上打字說(shuō)要把這樣那樣的加到課程中很容易，但一天只有24小時(shí)，對(duì)學(xué)生和老師時(shí)間的要求卻有很多。盡管如此，它們還是有一些細(xì)微之處，例如需要在同相輸入端周?chē)右粋€(gè)保護(hù)環(huán)，并將其驅(qū)動(dòng)到跟蹤輸入端的電位，從而最大程度地減少附近引腳的漏電。
因此，我想知道為什么會(huì)缺少這種關(guān)注。是因?yàn)楦唠妷耗M被視為是利基市場(chǎng)中的利基市場(chǎng)，而對(duì)學(xué)生而言，專(zhuān)注于運(yùn)算放大器的基礎(chǔ)才更為重要呢？還是，即使學(xué)生實(shí)驗(yàn)室不必遵守適用于商業(yè)銷(xiāo)售產(chǎn)品的爬電距離和電氣間隙要求（參考文獻(xiàn)4和5），管理更高電壓的實(shí)驗(yàn)室也真的有風(fēng)險(xiǎn)呢？
您曾經(jīng)是否參與過(guò)使用較高電壓的運(yùn)算放大器？您是如何實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的？模擬/電力電子工程的學(xué)生，是否應(yīng)該被給予一些這方面的介紹并做一些動(dòng)手交互呢？
參考文獻(xiàn)
1.Jim Williams, “Power Gain Stages for Monolithic Amplifiers,” AN-18, Analog Devices/Linear Technology Corp.
2.“IEC 61010-1: IEC System of Conformity Assessment Schemes for Electrotechnical Equipment and Components (IECEE),” IEC 61010-1:2010.
3.“IEC 61010-1, Edition 3,” Analog Devices.
4.“Understanding PCB Creepage and Clearance Standards,” Tempo Automation.
5.“Clearance and Creepage Rules for PCB Assembly,” Optimum Design Associates.
6.OPA462, Texas Instruments.
7.ADHV4702-1, Analog Devices.
（原文刊登于EDN美國(guó)版，參考鏈接：Learning to like high-voltage op-amp ICs）
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