【導讀】如今，有許多模擬電路對話(huà)都集中在低功耗和低電壓方面。當然，這對運算放大器來(lái)說(shuō)很有意義，因為這些基本的模擬單元電路經(jīng)常被用作1V以?xún)鹊碗娖絺鞲衅餍盘柕木彌_器或放大器。
如今，有許多模擬電路對話(huà)都集中在低功耗和低電壓方面。當然，這對運算放大器來(lái)說(shuō)很有意義，因為這些基本的模擬單元電路經(jīng)常被用作1V以?xún)鹊碗娖絺鞲衅餍盘柕木彌_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，因為在給定的功率水平下，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，對于許多這些較高電壓的應用來(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。這些應用包括在超聲系統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（LIDAR）系統中的雪崩光電二極管（APD）、單光子雪崩二極管（SPAD）的偏置，以及半導體自動(dòng)測試設備（ATE）。
不久以前，要調整運算放大器來(lái)提供大約50V或更高的電壓還是一項挑戰。通常，這是從15V至24V范圍內的標準運算放大器開(kāi)始，然后使用分立晶體管提高其輸出來(lái)實(shí)現的。從原理上看，這個(gè)電路使用PNP和NPN互補器件實(shí)現，非常簡(jiǎn)單（圖1）。但是，要實(shí)現對稱(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)基本電路使用一對互補式分立晶體管來(lái)增大低電壓運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實(shí)現對稱(chēng)和線(xiàn)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1，圖9
在所有的負載和其他條件下，全面表征性能會(huì )非常耗時(shí)，并且需要根據這些附加元件不可避免的公差進(jìn)行分析。也有預封裝的混合器件對高電壓有效。這類(lèi)器件將運放與必需的相關(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)運放，但具有更高的電壓能力以及過(guò)載和熱保護功能。
幸運的是，在最近幾年中，IC供應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(xiàn)）。
圖3：德州儀器的OPA462運算放大器可提供±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的精密運算放大器ADHV4702-1，可以使用對稱(chēng)或非對稱(chēng)電源供電（圖4）。該運算放大器的典型壓擺率高達74V/μs，并具有10MHz的小信號帶寬。這款12引線(xiàn)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”（測量、控制和實(shí)驗室用電氣設備的安全要求——第1部分：一般要求）對間距的規定（參考文獻2和3）。
圖4：ADI的ADHV4702-1是一款220V器件，可以使用對稱(chēng)或非對稱(chēng)雙極性電源供電。圖片來(lái)源：參考文獻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)有對這些更高電壓的運算放大器或設計情況做太多的討論或動(dòng)手研究。我知道有很多內容要講，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，它們還是有一些細微之處，例如需要在同相輸入端周?chē)右粋€(gè)保護環(huán)，并將其驅動(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。是因為高電壓模擬被視為是利基市場(chǎng)中的利基市場(chǎng)，而對學(xué)生而言，專(zhuān)注于運算放大器的基礎才更為重要呢？還是，即使學(xué)生實(shí)驗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4和5），管理更高電壓的實(shí)驗室也真的有風(fēng)險呢？
您曾經(jīng)是否參與過(guò)使用較高電壓的運算放大器？您是如何實(shí)現目標的？模擬/電力電子工程的學(xué)生，是否應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
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美國版，參考鏈接：Learning to like high-voltage op-amp ICs）
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