對許多應用來說，第三種選擇——自舉——可能是比較廉價的替代方案。除了動態性能要求極為苛刻的應用，自舉電源電路的設計是相當簡單的。

 

自舉簡介

 

changguiyunsuanfangdaqiyaoqiuqishurudianyazaiqidianyuanguifanweinei。ruguoshuruxinhaokenengchaoguodianyuangui
，keyitongguodianzushuaijianguodashuru，shizhexieshurujiangzhidianyuanfanweiyineidedianping。zheyangchulibingbulixiang，yinweitahuiduishuruzukang、噪聲和漂移產生不利影響。同樣的電源軌也會限製放大器輸出
，閉環增益的大小存在一個限值，以避免將輸出驅動到飽和狀態。

 

因此，如果要求處理輸入和/或輸出上的大信號偏離，則需要寬電源軌和能在這些電源軌上工作的放大器。ADI 的 24V 至 220V 精密運算放大器 ADHV4702-1 是適合這種情況的出色選擇，不過自舉低壓運算放大器也能滿足應用要求。是否使用自舉主要取決於動態要求和功耗限製。

 

自舉會創建一個自適應雙電源，其正負電壓不是以地為基準，而是以輸出信號的瞬時值為基準，有時稱之為飛軌(flying rail) 配置。在這種配置中

，電源隨著運算放大器的輸出電壓(VOUT) 上下移動。因此，VOUT始終處於中間電源電壓，並且電源電壓能夠相對於地移動。使用自舉可以非常容易地實現這種自適應雙電源。

 

實際上，自舉必須符合一些準則
，有些準則微不足道，但沒有一個準則是特別麻煩的。如下是最基本的準則：

 

● 輸出負載不得過大。

● 響應速度不得低於運算放大器的壓擺率。

● 必須能處理所需的電壓水平和相關的功耗。

 

工作原理

 

飛軌概念是指正負電源軌連續調整，使其電壓始終關於輸出電壓對稱。這樣
，輸出始終位於電源範圍內。

 

電路架構包括一對互補分立晶體管和一個阻性偏置網絡。 NPN 發射極（或 N 溝道 MOSFET 的源極引腳）提供 VCC， PNP 發射極（或 P 溝道 MOSFET 的源極引腳）用作 VEE。晶 體管被偏置
，使得所需的電源電壓出現在放大器的+VS和–VS 引腳上，這些電壓通過電阻分壓器從高壓電源獲得。圖 1 顯 示了簡化高壓跟隨器原理圖。

 

圖 1. 簡化高壓跟隨器原理圖

 

理li論lun上shang，自zi舉ju可ke以yi為wei任ren何he運yun算suan放fang大da器qi提ti供gong任ren意yi高gao的de信xin號hao順shun從cong電dian壓ya。而er在zai實shi際ji上shang，電dian源yuan調tiao整zheng比bi例li越yue大da，動dong態tai性xing能neng越yue差cha
，因yin為wei運yun算suan放fang大da器qi的de壓ya擺bai率lv限xian製zhi了le電dian源yuan對dui動dong態tai信xin號hao的de響xiang應ying速su度du。放fang大da器qi在zai最zui大da額e定ding電dian源yuan電dian壓ya或huo接jie近jin該gai電dian壓ya下xia工gong作zuo時shi，電dian源yuan引yin腳jiao為wei跟gen上shang動dong態tai信xin號hao而er需xu要yao橫heng越yue的de範fan圍wei最zui小xiao。當dang運yun算suan放fang大da器qi在zai接jie近jin其qi最zui高gao額e定ding電dian源yuan電dian壓ya下xia工gong作zuo時shi
，其qi他ta誤wu差cha源yuan（如噪聲增益）也會降低。

 

不需要電源移動很遠（或非常快）的de低di頻pin和he直zhi流liu應ying用yong，是shi自zi舉ju的de最zui佳jia候hou選xuan應ying用yong。因yin此ci，高gao壓ya放fang大da器qi能neng提ti供gong比bi動dong態tai特te性xing相xiang當dang的de低di壓ya放fang大da器qi更geng好hao的de動dong態tai性xing能neng，尤you其qi是shi當dang二er者zhe均jun偏pian置zhi為wei各ge自zi的de最zui大da工gong作zuo電dian源yuan電dian壓ya並bing且qie自zi舉ju到dao相xiang同tong信xin號hao範fan圍wei時shi。自zi舉ju也ye會hui影ying響xiang直zhi流liu性xing能neng，因yin此ci在zai直zhi流liu精jing度du和he高gao電dian壓ya兩liang方fang麵mian均jun經jing過guo優you化hua的de運yun算suan放fang大da器qi可ke提ti供gong自zi舉ju配pei置zhi能neng實shi現xian的de最zui佳jia直zhi流liu和he交jiao流liu性xing能neng組zu合he。

 

舉例：采用ADHV4702-1 的範圍擴展器的設計考慮

 

ADHV4702-1 是一款精密 220 V運算放大器。有了該器件，就不需要自舉傳統低壓運算放大器，220 V以yi下xia信xin號hao範fan圍wei的de高gao壓ya設she計ji得de以yi簡jian化hua。如ru果guo應ying用yong需xu要yao更geng高gao電dian壓ya
，那na麼me可ke以yi應ying用yong自zi舉ju技ji術shu，輕qing鬆song地di將jiang電dian路lu工gong作zuo範fan圍wei增zeng加jia兩liang倍bei以yi上shang。下xia麵mian說shuo明ming一yi個ge基ji於yuADHV4702-1 的 500 V放大器設計示例。

 

電壓範圍

 

如上所述，擴展器電路的範圍在理論上是無限的，但存在如下一些實際限製：

 

● 電源電壓和電流額定值

● 電阻和場效應晶體管(FET)功耗

● FET 擊穿電壓

 

直流偏置電平

 

首先，考慮提供給放大器的電源電壓。任何在器件額定電源電壓範圍內的電壓都有效。然而，功耗是基於所選擇的工作電壓在放大器和 FET 之間分配。對於給定的原始電源電壓，運算放大器電源電壓越低
，FET 中的漏源電壓(VDS)越(yue)高(gao)，功(gong)耗(hao)也(ye)相(xiang)應(ying)地(di)進(jin)行(xing)分(fen)配(pei)。應(ying)選(xuan)擇(ze)適(shi)當(dang)的(de)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)，從(cong)而(er)以(yi)最(zui)有(you)利(li)於(yu)散(san)熱(re)的(de)方(fang)式(shi)在(zai)器(qi)件(jian)之(zhi)間(jian)分(fen)配(pei)功(gong)耗(hao)。其(qi)次(ci)，使(shi)用(yong)下(xia)式(shi)計(ji)算(suan)將(jiang)原(yuan)始(shi)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)(VRAW)降低到放大器期望電源電壓(VAMP)所需的分壓比：

 

 

其中，RTOP為頂部電阻，RBOT為底部電阻。

 

對於下例
，考慮運算放大器標稱電源電壓為±100 V。對於需要±250 V 擺幅範圍的應用，通過下式計算分壓比：

 

 

ranhou，shiyongbianyuhuodedebiaozhunzhidianzushejidianzufenyaqi，jinkenengjiejindishixiancifenyabi。qingzhuyi，youyushejigaodianya，dianzugonghaokenengbiyuqiyaogao。

 

靜態功耗

 

duiyusuoxuandianzuzhi，yingxuanzenenggouyingduixiangyingjingtaigonghaodedianzuchicun。xiangfan，ruguodianzudewulichicunshouxian，yingxuanzeshidangdedianzuzhilaijiangsanrexianzhizaiedingfanweinei。

 

在該示例中，RTOP達到 150 V
，RBOT達到 100 V。使用額定功率為 1 /2瓦的 2512 電阻，設計必須將每個電阻器的功耗(V2/R) 限製在 0.5 W 以下。計算每個電阻的最小值，如下所示：

 

 

將較高值電阻(45kΩ)作為功耗的限製因素，RBOT 值產生一個 2.5:1 分壓器，同時觀測靜態功耗限值為

 

 

其功耗為(100 V)2/30 kΩ = 0.33 W。

 

瞬時功耗

 

考慮到電阻的瞬時電壓取決於放大器的輸出電壓以及電源電壓，本例中任何時刻每個分壓器上的電壓可能高達350 V（VCC = 250 V 且 VOUT = –100 V）。正弦輸出波形在 VCC和 VEE分壓器中產生 相同的平均功耗，但任何非零平均輸出都會導致一個分壓器 的功耗高於另一個分壓器的功耗。對於滿量程直流輸出（或方波），瞬時功耗為最大功耗。

 

在此示例中
，為將瞬時功耗保持在 0.5 W 以下，每個分壓器中兩個電阻之和(RSUM)不得小於以下值：

 

 

因此，電阻比為 1.5:1（對於 2.5:1 分壓器）時

，各個電阻的最小值如下：

 

● RTOP = 147 kΩ 

● RBOT = 98 kΩ

 

FET 選擇

 

承受最壞情況偏置條件所需的擊穿電壓主要決定 FET的選擇
；當輸出飽和


，使得一個 FET 處於最大 VDS
，另一個 FET 處於最小 VDS 時，便可明白這一點。在前麵的示例中
，最 高絕對 VDS 約為 300 V，即總原始電源電壓(500 V)減去放大器的總電源電壓(200 V)。因此
，FET 必須承受至少 300 V 電壓而不被擊穿。

 

功耗必須針對最壞情況 VDS 和工作電流來計算
，並且必須選擇指定在此功率水平下工作的 FET。

 

接下來考慮 FET 的柵極電容，因為它會與偏置電阻一起形成一個低通濾波器。擊穿電壓較高的 FET 往往具有較高的柵極電容，而且偏置電阻往往為 100 kΩ

，因此不需要多少柵極電容就能顯著降低電路的速度。從製造商的數據手冊中獲得柵極電容值
，計算 RTOP和 RBOT並聯組合所形成的極點頻率。

 

pianzhiwangluodepinlvxiangyingbixushizhongkuaiyushuruheshuchuxinhao

，fouzefangdaqideshuchukenengchaochuqizishendedianyuanfanwei。zanshipianlidaofangdaqidianyuanguizhiwaihuiyousunhuaishurudefengxian，erzanshibaohehuoyabaishouxianhuiyouzaochengshuchushizhendefengxian。renheyizhongzhuangkuangdoukenengdaozhifufankuizanshidiushihebukeyucedeshuntaixingwei，shenzhikenengyinweimouxieyunsuanfangdaqijiagouzhongdexiangweifanzhuanershuansuo。

 

性能

 

直流線性度

 

圖 2 顯示了增益誤差與輸入電壓的關係（直流線性度）
，增益為 20，電源為±140 V。

 

圖2. 增益誤差與輸入電壓的關係

 

壓擺率

 

圖 3 顯示了壓擺率曲線

，增益為 20，電源為±140 V，測量值為 20.22 V/μs。

 

圖 3. 壓擺率

 

實現更高速度的權衡

 

功耗

 

如前所述，工作電壓較高時，FET 的擊穿電壓（和相關的柵極電容）yijidianzuzhiyebixujiaogao。jiaogaodedianzuhedianrongzhidouhuizaochengdaikuanjiangdi，weiyikeyongdetiaozhengyinsushidianzuzhi。jiangdidianzuzhihuitigaodaikuan，dandaijiashigonghaozengjia。

 

空間

 

低阻值、高功率的電阻尺寸較大

，需占用較多電路板空間。以電容的形式在RBOT上增加一些引線補償可以改善電路的頻率響應。此電容與 RBOT和 RTOP電阻形成一個零點，抵消 FET 柵極電容所形成的極點。極點和零點相消
，因此可以選擇更高阻值的電阻
，從而降低直流功耗。

 

結論

 

在需要較高電壓但使用典型高壓運算放大器不經濟的應用中，常常會讓常規運算放大器自舉。自舉有其優點和缺點。還有一個選擇
，ADHV4702-1 提供一種高達 220 V的精密高性能解決方案，無需自舉。但是，當信號範圍要求超過 220 V時

， 該器件可以自舉以處理超過標稱信號範圍兩倍以上的電壓，同時提供比自舉低壓放大器更高的性能。

 

 

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