高压运放可改善性能并缩减电路板空间

即使对于最优秀的模拟设计师来说，高电压放大器电路的设计也是充满挑战的。大多数市售放大器都被限制为使用 ±15V 或更低的电源。随着半导体制造工艺采用精细线几何尺寸，许多新型放大器被限制在更低的电压，比如 5V 乃至 3.6V。然而，对于较高电压电路的需求依旧存在。虽然可以使用分立式电路来扩展较低电压运算放大器的输入或输出工作电压范围，但由于匹配问题、电路板空间限制和散热要求的原因，这样的做法对于设计会颇为棘手。而新型高精度单片式运算放大器 (包括 LTC6090、 LTC2057 和 LT6016) 的面市则简化了高电压模拟信号链路的设计。

新型 LTC6090 运放通过专有电路与布局方法的组合运用，将其电源电压扩展至 ±70V，而并未牺牲高精度运放期待拥有的特性。该器件采用了一种 MOS 输入级设计，输入偏置电流通常为 3pA (在 25°C)。输入失调电压小于 1.6mV，噪声为 11nV/√Hz (在 10kHz)。输入共模范围扩展至任一电源轨的 3V 以内 (134V，横跨 140V 电源)。其轨至轨输出级允许 LTC6090 驱动接近 140VP-P 的信号 (图 1)。LTC6090 采用节省空间的 8 引脚 SOIC 封装和 16 引脚 TSSOP 封装。这两种封装均具有用于降低热阻的裸露衬垫，有利于实现优良的热设计。一个至低电压控制线的简易型接口和内置的热安全特性可简化高电压模拟设计任务。

                                                    图 1：LTC6090 输出电压 140VP-P 10kHz 正弦波

用于高动态范围的高电压电路

图 2 给出的例子说明了怎样采用一个高电压放大器来改善动态范围。跨阻抗放大器电路需要采取谨慎的设计以实现足够低的噪声和高带宽。电路的噪声取决于反馈电阻器和放大器所产生的噪声。增益与反馈电阻值成正比，而电阻器噪声则与电阻值的平方根成正比。因此，电路的信噪比随着电阻的增大而改善，改善系数为 √R。采用一个 125V 正电源轨将允许电路以一个 1MΩ (MV/A) 的高跨阻抗增益值运作。随后衰减放大器的输出以使 VOUT 信号介于 0V 和 12V 之间，且噪声在 1kHz 至 40kHz 的频段内仅为 21μVRMS (即 1.75 ppm)。

                                                  图 2：扩展动态范围 1M 跨阻抗光电二极管放大器

偏置和漏电流

在光电二极管和其他高阻抗换能器应用中，必须考虑放大器输入偏置电流。LTC6090 的低输入偏置电流使其成为高阻抗应用的绝佳选择。如图 3 所示，输入偏置电流与温度之间存在对数关系，温度每升高 10°C 输入偏置电流将倍增一次，然而在 125°C 温度下仍然保持低水平。

                                                  图 3：LTC6090 输入偏置电流与结温的关系曲线

由于输入端可接受高电压，因此应特别谨慎地避免会引起测量误差的漏电流。在保护关键型应用中，采用特殊的低漏电电路板材料或许是有益的，因为其可作为保护环。LTC6090 的 TSSOP 封装包括 8 个保护引脚，这些引脚可用于在关键输入节点的周围形成保护环，如图 4 所示。请注意，应当穿过保护环拉回焊料掩模以裸露 PCB 金属。PCB 必须整洁干燥，这一点很重要。建议采用溶剂对电路板进行清洁，并用自来水冲洗任何的残留物，然后对电路板实施烘烤以除去所有的水分。或者，用肥皂和自来水 (不带溶剂) 彻底洗涤电路板亦可产生很好的效果。