即使對于最優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的。大多數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 (134V，橫跨 140V 電源)。其軌至軌輸出級允許 LTC6090 驅動接近 140VP-P 的信號 (圖 1)。LTC6090 采用節省空間的 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，有利于實現優良的熱設計。一個至低電壓控制線的簡易型接口和內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范圍。跨阻抗放大器電路需要采取謹慎的設計以實現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 的頻段內僅為 21μVRMS (即 1.75 ppm)。
圖 2：擴展動態范圍 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。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點的周圍形成保護環，如圖 4 所示。請注意，應當穿過保護環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。或者，用肥皂和自來水 (不帶溶劑) 徹底洗滌電路板亦可產生很好的效果。
圖 4：PCB 保護環布局示例
高電壓 DAC 緩沖器
高電壓放大器的另一個用途是對較低壓的數模轉換器 (DAC) 進行緩沖。在測試設備中，有可能必需產生任意的高電壓以滿足多種應用的需要，而且在某些控制應用中，大電壓信號適用于驅動激光器、壓電組件和其他換能器或引導光束。如圖 5 所示，可以使用諸如 LTC6090 等高電壓放大器。在該例中，從一個 2.5V DAC 輸出產生了一個 140VP-P 電壓。
圖 5：高電壓 DAC 緩沖器
熱考慮
在 140V 的總電源電壓和 2.7mA 的典型靜態電流條件下，LTC6090 的功耗為 378mW。添加一個負載功耗就會超過 1W，因而優良的熱設計成為需要的優先考慮。SOIC 和 TSSOP 這兩種版本在封裝底部都具有一個裸露襯墊，該裸露襯墊在內部連接至負電源軌 V–。封裝的熱阻與焊接至裸露襯墊的金屬量成正比，所以在實際條件允許的情況下最好是把裸露襯墊連接到一塊盡可能大的 PCB 金屬平面。在熱布局良好的情況下，SO 封裝的熱阻 ΘJA 為 33°C/W。當產生 1W 功耗時，芯片的結溫將上升至比環境溫度高 33°C。
一種重要的輸出停用 (OD) 功能可在結溫變得過高時關斷輸出級，以避免 LTC6090 超過 150°C 的結溫。這是通過把過熱引腳 (TFLAG) 連接至 OD 引腳來完成的。當芯片結溫達到 145°C 時，漏極開路 TFLAG 引腳將被拉至低電平。當結溫達到 140°C 時，5°C 的內置遲滯將導致 TFLAG 引腳復位。將低電平有效的 OD 引腳拉至低電平 (相對于 COM 引腳)可關斷輸出級，這接著又把器件的靜態電流減低至 670μA。COM 引腳為 OD 和 TFLAG 引腳所公用，可提供 LTC6090 的低電壓控制。當 TFLAG和 OD 引腳連接在一起時，LTC6090 將在芯片結溫達到 145°C 時停用。請注意，這些引腳既可以浮置，也可以連接在一起。
一種附加的熱安全特性可在芯片結溫達到約 175°C 時關斷輸出級。7°C 的內置遲滯可在芯片結溫回落至大約 168°C 時使輸出級接通。該特性旨在避免器件遭受災難性的熱故障。在高于其 150°C 的絕對最大結溫下運作 LTC6090 會降低其可靠性，應對這種做法加以阻止。
結論
諸如 LTC6090 等放大器既擁有高性能精準放大器的高性能規格指標，同時又可在采用 ±70V 電源時工作，因而簡化了高電壓精準設計。保護引腳實現了優良的低漏電 PCB 設計，而 TFLAG、OD 和 COM 引腳則簡化了上佳的熱設計。LTC6090 與近期推出的 LTC2057 和 LT6016 相結合，可實現眾多超過 ±15V 的高電壓電路設計。LTC2057 具有 60V 操作、一個零漂移輸入級和低噪聲操作特性，以實現最佳的高精度和穩定的 DC 性能。LT6015 / LT6016 / LT6017 是單 / 雙 / 四路運算放大器，具有 Over-the-Top® 輸入，其允許在輸入共模電壓高出負電源軌達 76V 的情況下正常運作，而不受電源電壓的影響。
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