高壓運(yùn)放可改善性能并縮減電路板空間

即使對(duì)于最優(yōu)秀的模擬設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，高電壓放大器電路的設(shè)計(jì)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(dǎo)體制造工藝采用精細(xì)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(duì)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(lái)擴(kuò)展較低電壓運(yùn)算放大器的輸入或輸出工作電壓范圍，但由于匹配問(wèn)題、電路板空間限制和散熱要求的原因，這樣的做法對(duì)于設(shè)計(jì)會(huì)頗為棘手。而新型高精度單片式運(yùn)算放大器 (包括 LTC6090、 LTC2057 和 LT6016) 的面市則簡(jiǎn)化了高電壓模擬信號(hào)鏈路的設(shè)計(jì)。

新型 LTC6090 運(yùn)放通過(guò)專(zhuān)有電路與布局方法的組合運(yùn)用，將其電源電壓擴(kuò)展至 ±70V，而并未犧牲高精度運(yùn)放期待擁有的特性。該器件采用了一種 MOS 輸入級(jí)設(shè)計(jì)，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(kuò)展至任一電源軌的 3V 以?xún)?nèi) (134V，橫跨 140V 電源)。其軌至軌輸出級(jí)允許 LTC6090 驅(qū)動(dòng)接近 140VP-P 的信號(hào) (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(shí)現(xiàn)優(yōu)良的熱設(shè)計(jì)。一個(gè)至低電壓控制線的簡(jiǎn)易型接口和內(nèi)置的熱安全特性可簡(jiǎn)化高電壓模擬設(shè)計(jì)任務(wù)。

圖 1：LTC6090 輸出電壓 140VP-P 10kHz 正弦波

用于高動(dòng)態(tài)范圍的高電壓電路

圖 2 給出的例子說(shuō)明了怎樣采用一個(gè)高電壓放大器來(lái)改善動(dòng)態(tài)范圍?？缱杩狗糯笃麟娐沸枰扇≈?jǐn)慎的設(shè)計(jì)以實(shí)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(gè) 125V 正電源軌將允許電路以一個(gè) 1MΩ (MV/A) 的高跨阻抗增益值運(yùn)作。隨后衰減放大器的輸出以使 VOUT 信號(hào)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(kuò)展動(dòng)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(yīng)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(yīng)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(duì)數(shù)關(guān)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(guān)系曲線

由于輸入端可接受高電壓，因此應(yīng)特別謹(jǐn)慎地避免會(huì)引起測(cè)量誤差的漏電流。在保護(hù)關(guān)鍵型應(yīng)用中，采用特殊的低漏電電路板材料或許是有益的，因?yàn)槠淇勺鳛楸Ｗo(hù)環(huán)。LTC6090 的 TSSOP 封裝包括 8 個(gè)保護(hù)引腳，這些引腳可用于在關(guān)鍵輸入節(jié)點(diǎn)的周?chē)纬杀Ｗo(hù)環(huán)，如圖 4 所示。請(qǐng)注意，應(yīng)當(dāng)穿過(guò)保護(hù)環(huán)拉回焊料掩模以裸露 PCB 金屬。PCB 必須整潔干燥，這一點(diǎn)很重要。建議采用溶劑對(duì)電路板進(jìn)行清潔，并用自來(lái)水沖洗任何的殘留物，然后對(duì)電路板實(shí)施烘烤以除去所有的水分?；蛘?，用肥皂和自來(lái)水 (不帶溶劑) 徹底洗滌電路板亦可產(chǎn)生很好的效果。