高壓運放可改善性能并縮減電路板空間

即使對于最優(yōu)秀的模擬設計師來說，高電壓放大器電路的設計也是充滿挑戰(zhàn)的。大多數(shù)市售放大器都被限制為使用 ±15V 或更低的電源。隨著半導體制造工藝采用精細線幾何尺寸，許多新型放大器被限制在更低的電壓，比如 5V 乃至 3.6V。然而，對于較高電壓電路的需求依舊存在。雖然可以使用分立式電路來擴展較低電壓運算放大器的輸入或輸出工作電壓范圍，但由于匹配問題、電路板空間限制和散熱要求的原因，這樣的做法對于設計會頗為棘手。而新型高精度單片式運算放大器 (包括 LTC6090、 LTC2057 和 LT6016) 的面市則簡化了高電壓模擬信號鏈路的設計。

新型 LTC6090 運放通過專有電路與布局方法的組合運用，將其電源電壓擴展至 ±70V，而并未犧牲高精度運放期待擁有的特性。該器件采用了一種 MOS 輸入級設計，輸入偏置電流通常為 3pA (在 25°C)。輸入失調(diào)電壓小于 1.6mV，噪聲為 11nV/√Hz (在 10kHz)。輸入共模范圍擴展至任一電源軌的 3V 以內(nèi) (134V，橫跨 140V 電源)。其軌至軌輸出級允許 LTC6090 驅(qū)動接近 140VP-P 的信號 (圖 1)。LTC6090 采用節(jié)省空間的 8 引腳 SOIC 封裝和 16 引腳 TSSOP 封裝。這兩種封裝均具有用于降低熱阻的裸露襯墊，有利于實現(xiàn)優(yōu)良的熱設計。一個至低電壓控制線的簡易型接口和內(nèi)置的熱安全特性可簡化高電壓模擬設計任務。

圖 1：LTC6090 輸出電壓 140VP-P 10kHz 正弦波

用于高動態(tài)范圍的高電壓電路

圖 2 給出的例子說明了怎樣采用一個高電壓放大器來改善動態(tài)范圍。跨阻抗放大器電路需要采取謹慎的設計以實現(xiàn)足夠低的噪聲和高帶寬。電路的噪聲取決于反饋電阻器和放大器所產(chǎn)生的噪聲。增益與反饋電阻值成正比，而電阻器噪聲則與電阻值的平方根成正比。因此，電路的信噪比隨著電阻的增大而改善，改善系數(shù)為 √R。采用一個 125V 正電源軌將允許電路以一個 1MΩ (MV/A) 的高跨阻抗增益值運作。隨后衰減放大器的輸出以使 VOUT 信號介于 0V 和 12V 之間，且噪聲在 1kHz 至 40kHz 的頻段內(nèi)僅為 21μVRMS (即 1.75 ppm)。

圖 2：擴展動態(tài)范圍 1M 跨阻抗光電二極管放大器

偏置和漏電流

在光電二極管和其他高阻抗換能器應用中，必須考慮放大器輸入偏置電流。LTC6090 的低輸入偏置電流使其成為高阻抗應用的絕佳選擇。如圖 3 所示，輸入偏置電流與溫度之間存在對數(shù)關系，溫度每升高 10°C 輸入偏置電流將倍增一次，然而在 125°C 溫度下仍然保持低水平。

圖 3：LTC6090 輸入偏置電流與結(jié)溫的關系曲線

由于輸入端可接受高電壓，因此應特別謹慎地避免會引起測量誤差的漏電流。在保護關鍵型應用中，采用特殊的低漏電電路板材料或許是有益的，因為其可作為保護環(huán)。LTC6090 的 TSSOP 封裝包括 8 個保護引腳，這些引腳可用于在關鍵輸入節(jié)點的周圍形成保護環(huán)，如圖 4 所示。請注意，應當穿過保護環(huán)拉回焊料掩模以裸露 PCB 金屬。PCB 必須整潔干燥，這一點很重要。建議采用溶劑對電路板進行清潔，并用自來水沖洗任何的殘留物，然后對電路板實施烘烤以除去所有的水分?；蛘?，用肥皂和自來水 (不帶溶劑) 徹底洗滌電路板亦可產(chǎn)生很好的效果。