作者：Barry Harvey ADI公司
问题：
能否让低压放大器自举来取得高压缓冲器？
答复：
您能够选用具有超卓输入特性的运算放大器，并进一步进步其功用，使其电压规模、增益精度、压摆率和失真功用均优于本来的运算放大器。
我曾规划过一个精细电压表的输入，需求一个亚皮安输入单位增益放大器/缓冲器，其低频噪声小于1μV p-p，失调电压低至大约100μV，非线性差错小于1 ppm。它还需求在音频和60 Hz频率下具有十分低的沟通失真，以便运用不断增强的ADC分辨率。这满足雄心壮志，但它一起需求运用±50 V电源缓冲±40 V信号。缓冲器输入衔接到高阻抗分压器，或直接衔接到外部信号。因而，它还有必要能够接受静电放电和过压输入的冲击。
可用的亚皮安偏置电流运算放大器并不多。可堪运用的器材常常被称为静电计级放大器，偏置电流低至数十飞安。惋惜的是，这些静电计放大器的低频电压噪声（0.1Hz到10Hz）为几微伏（峰峰值）。此外，其输入失调电压和失调温度系数一般也不符合要求。其共模按捺比（CMRR）和开环增益不够好，难以支撑1 ppm线性度。终究，没有一款静电计能够接受高电源电压。
LTC6240系列供给0.25 pA偏置电流（典型值）和0.55μV p-p低频噪声。这关于输入缓冲器来说现已满足好了，但该器材仅支撑最高12 V的电源。咱们将不得不在放大器周围添加电路以使其习惯更高的电压。
规划办法
图1显现了自举放大器的原理示意图。
图1.底子自举电源电路拓扑
LTC6240由Vp（经过增益为+1的缓冲放大器坚持输出加5 V的值）和Vm（由另一个缓冲器驱动而坚持输出减5 V的值）供电。
因为电源总是跟从输入信号（由LTC6240的输出缓冲），因而抱负状况下底子没有共模输入差错。即使是平凡的CMRR也经过自举进步至少30 dB。该30 dB值是由Vp和Vm缓冲器的有限增益精度导致的。
LTC6240的开环增益也得到类似的进步。当内部增益节点和电源轨之间存在晶体管输出阻抗时，放大器电路会发生增益受限的状况。因为电源被自举到输出，所以很少有信号电流流过上述阻抗，并且开环增益的添加量与CMRR的进步量类似。可是，输出负载仍或许会约束开环增益。
或许不那么显着，但电路全体压摆率也被自举进步。一般，它受限于LTC6240内部静态电流和以电源为基准的补偿电容。当电源跟从输入和输出时，很少有动态电流流入这些电容，放大器不会进入有限压摆率状况。缓冲放大器终究会约束全体压摆率。
高压电源Vhvp和Vhvm或许有搅扰，但缓冲器输出会在很大程度上按捺搅扰，LTC6240的电源按捺比（PSRR）将大大增强。
所以，这很棒；经过自举电源，缓冲器在多个方面得到改进。或许会呈现什么问题？图1所示电路简直肯定会振动。考虑电源引脚行为的最佳办法是将其视为反应环路的一部分：输出引脚电压乘以缓冲放大器频率呼应，然后将乘以1/PSRR，加到输入端，终究乘以开环增益成为输出，如此循环往复。图2a显现了PSRR随频率的改变。
咱们在PSRR曲线中没有取得相位数据，但假定它具有+90°相位。是的，这个+90°就像一个差异化要素。如图2b所示，从低频到100 kHz，开环增益具有-90°相位，之后该负值变得越来越大。缓冲器将具有有限频率呼应，并且也将表现出相位滞后。将环路中的一切相位滞后相加可确保在一些频率下的反应相位为0°或360°的倍数。假如在这些相位的电源环路增益大于1，振动就会发生。PSRR起伏下降到4 dB的低点（衰减 = -4 dB → 增益 = 0.63，非dB），看起来环路或许永久不会有满足的增益来发生振动。这很或许是过错的，因为PSRR一起适用于Vp和Vs，其PSRR增益相加会使起伏超越1。此外，缓冲器或许会有必定的峰化，之后其增益在高频发生滚降，然后将全体反应起伏推高至1以上。咱们还将看到，缓冲器有必要驱动稍大的电容，并且会具有更多的相位滞后。无论怎么，LTspice®中的电路仿真标明会发生大信号振动（LTC6240的频率呼应和非线性体现在宏模型中）。
图2.（a） LTC6240的PSRR，（b） LTC6240的开环增益
实践完结
图3显现了完好电路。
图3.完好电路
请留意，1000 pF旁路电容有必要与LTC6240电源引脚紧密衔接。运算放大器稀有十个内部晶体管，在该放大器中，晶体管的Ft量级为GHz。它们常常以反应办法互相衔接，除非安装了旁路电容，不然它们或许在高沟通阻抗电源下发生振动。1000 pF足以消除这些振动。咱们还期望电源旁路电容远大于任何输出负载电容，因为在高频时，负载电容上的电压转化会导致电流流向电源轨，并或许调制电源电压，经过PSRR反应引起振动。因而，旁路电容会下降频率下的电源调制，适当于下降从输出到电源的反应增益。
压摆这些旁路电容会需求很大的电流，并且有必要是双向的。Q5和Q6是射极跟从器，能够驱动旁路电容的压摆电流。Q3和Q4是偏置二极管，用于设置Q5和Q6静态电流。Q2为这些二极管和齐纳二极管D1（实践上是并联基准电压源IC）供给偏置电流，D1设置相关于输出的正电源电压。Q2的集电极是一个电流镜的输出，该电流镜由高压轨之间的R9偏置。假如电源电压不是稳定值，能够用两个电流源替代R9。
Q7至Q12构成与之前所述适当的Vm减电源驱动器。请留意齐纳电压的不匹配是有意为之的：Vp比输入/输出高5V，Vm比输入/输出低3 V。这种不匹配使输入电压的中点坐落LTC6240的电源约束输入规模以内，然后优化压摆波形。
一般，LTC6240的电源电流会耗费Q5的发射极电流，并底子上封闭Q6，所以Vp缓冲器输出阻抗大部分是R3。因而，电源反应Vp途径的带宽约为1/ （2π × 100 Ω × 0.001 µF） = 1.6 MHz。这确保了在10 MHz及以上的频率（此刻LTC6240的开环相位向振动开展），Vp环路增益远小于1。100Ω电阻还让跟从器Q5不用直接驱动1000 pF电容。发射极跟从器会有输出电感，或许与容性负载发生谐振，引起振铃乃至振动。
规划自举在1.6 MHz以上的频率会失利后，咱们将看到全体电路的完美行为在频率超出大约100 kHz时会降级。假如输出不能彻底跟从输入，自举的优点将会打折扣。带Cin的Rin将带宽约束在100 kHz，这是ADC跟从缓冲器的体系抗混叠滤波器的一部分，它还会衰减无线电搅扰和不支撑的压摆率。
该电路有必要能够接受任何不受约束的压摆输入信号或ESD，因而Rin也用于约束输入毛病电流。电阻有四个串联段，以便分管输入过驱，暂时接受1 kV的电压。依据信号源和预期过载，能够减小输入电阻。
LTC6240内部有维护二极管，可将输入过压电流引导至Vp或Vm。答应进入LTC6240输入的最大毛病电流为10 mA，但假如有周围电路能够快速堵截输入毛病，则在短时刻内能够添加该电流。该电路的预期运用中存在SPDT继电器，当未通电时，其将缓冲器的输入衔接到÷10网络。通电后，继电器直接衔接输入。因而，当未通电时，缓冲器衔接到远大于10 kΩ的源阻抗，毛病电压和电流下降的起伏与10 mA接连额定值适当。运用的输入规模为±400 V，毛病容差为±1000 V。这只要在有两个比较器的状况下才干安全地完结，比较器检测输入过压并快速开释继电器。这能够在1 ms至2 ms内完结，答应100 mA瞬态输入电流，此电流不会熔化LTC6240的维护二极管。请留意，D3至D6用于将输入过载电流引导至Vhvp或Vhvm电源，该电流此前已经过LTC6240导向Vp或Vm。这些电源或许无法吸收过载电流，因为相关于正常供电操作，该电流是向后活动的。咱们将依托满足大的旁路电容来安全地坚持电源电压，一起等候继电器开关减压。关于100 mA过载，咱们将需求100μF电容来使电源在2 ms内的电压改变坚持在2 V以内。
高压信号源
当测验实验室原型时，我认识到我没有信号发生器来供给任何波形的满足输出电压摆幅以鼓励电路。我有能够发生最多±10 V p-p的各种波形的信号发生器。现在需求规划一个能够明晰地再现大起伏波形的放大器。图4显现了一个电流反应放大器（CFA）的高压分立完结计划。
图4.高压放大器
CFA（电流反应型放大器）具有极高的压摆率，带宽一般也很宽（单位增益时）。不过因为咱们运用的是高压晶体管，所以带宽适中。与较低电压类型比较，高压晶体管具有更高的寄生电容和更低的Ft。
这里有一些事项需求留意。电路自身没有限流或约束功耗的功用，因而超越10 mA的继续大负载电流会焚毁输出级，乃至或许焚毁更多电路级。此外，最好不要在高压电源上添加0.1μF以上的旁路电容。假如运用大电容，短路会引起焊接效应。有鉴于此，我不得不在高压电源上添加100μF旁路电容以按捺二次谐波失真。我用手上下摇摆实验室电源，以避免硬敞开和封闭。请留意，50 V电压就会发生满足的电流流过人体导致心脏停搏。最好将高压电源的电流限值降至60 mA。50 V满足高，需求警觉。
在图4中，ADA4898运算放大器操控CFA，使其精度和失真遭到操控。CFA一般具有高直流差错，高精度树立时刻较长。运算放大器处理了这些问题。
CFA的正输入为节点n25，负输入为n5（是的，这是输入）。Rff和Rgg自身将内部CFA的增益设置为约27。这种高增益能够将运算放大器输出摆幅操控在±2 V。CFA能够设置为更高增益以进一步减轻操控放大器的担负，但如此一来，CFA将丢失带宽，并且失真添加。总增益由Rf和Rg设置为20。Ctweak和Ctweak2合作Rf作业，从215 kHz以上的运算放大器全体反应中消除CFA的相位滞后，然后增强运算放大器的稳定性。
n13是CFA增益节点，由触及Q1/Q2/Q20和Q11/Q12/Q19的电流镜驱动。
Q7/Q8/Q10/Q13构成输出缓冲器，作为复合互补射极跟从器。没有限流电路——请勿将输出短接到任何东西！
高压放大器的CFA部分具有35 MHz的-3 dB带宽，并且不会自行峰化。全体电路的-3 dB带宽为33 MHz，但有8 dB的峰化。一般，复合放大器规划的第二放大器的带宽至少是输入操控放大器带宽的3倍以避免峰化，但咱们无法取得如此有利的比率。至少8 dB峰值没有高Q值，并且振铃会适当快地消失。在峰化频率以下，方针100 kHz信号再现得很好。在100 kHz且输出为80 V p-p时，失真丈量值为-82 dBc；在100 kHz以下且输出为32 V p-p时，失真降至-100 dBc。关于快速边缘，方波呼应具有约60%的过冲；当输出压摆率小于250 V/μs时，过冲很小或简直没有过冲。最大压摆率约为1900 V/μs。
丈量设置
咱们面临的是大信号，怎么运用一般实验室设备来丈量±40 V输出？高压放大器和高压缓冲器的输出都不该超越10 mA，并且它们也不能
稳定地驱动40 pF负载。同轴电缆的电容率为27 pF/英尺，电容量太大。示波器÷10探针只要大约15 pF||10MΩ负载，因而耦合到示波器会没问题。
关于失真丈量，咱们实验室的一切音频分析仪都不能在100 kHz时到达-80 dBc，所以咱们有必要求助于频谱分析仪。惋惜的是，频谱分析仪只要50Ω输入，这对咱们的驱动电路来说太低。我的处理计划是将阻抗进步到50Ω（见图5）；也就是说，在信号和50Ω分析仪输入之间放置一个5 kΩ分压电阻，做成一个挨近÷100的分压器。重要的是，5 kΩ电阻在低频信号下不会呈现热偏移，因为这些偏移与VOUT2相关，会构成偶次谐波。我挑选将5个1 kΩ、2 W电阻串联起来制造Rdivider。2 W电阻具有约37°C/W的热阻，5个1 kΩ电阻具有7.5°C/W的热阻。在其上施加±40 V正弦波时，功耗为160 mW，电阻加热将导致电阻的温度升高7.5×0.16 = 1.2°C。电阻偏移大约为100 ppm /°C，因而在直流时会有120 ppm的偏移，或大约0.01%的非线性差错及-80 dBc的失真。关于咱们的丈量，这种精度怎么或许满足？好消息是分压器电阻的热时刻常数适当大，咱们估计在100 kHz周期的中部实践电阻偏移很小。挖苦的是，在较低频率（或许1 kHz及以下）时失真更差。
因为分析仪输入规模有限，80 V p-p信号无论怎么都有必要衰减，但它依然太大，无法取得最佳频谱分析仪功用。在无辅佐的状况下，咱们的分析仪只能供给-80 dBc失真，这是权衡利弊的成果，不然要么其噪声会吞没谐波，要么大输入会构成额定的失真。处理办法是在分析仪输入端放置一个100 kHz的圈套来消除基波起伏。当信号少于几毫伏（仅谐波）时，咱们能够完结挨近-120 dBc的丈量规模。图5显现了测验设置。
图5.失真测验设置
发生器经过一个低通滤波器（Linput和Cinput）驱动Rterm，滤波器衰减发生器的100 kHz谐波。失真由此改进到-113 dBc，低于要丈量的电路。净化后的信号由高压放大器进步，并由缓冲器传递，缓冲器驱动分压器。
电感由环绕在大型线轴（用于功率E-I磁芯）上的磁线构成。因为会添加失真，任何类型的磁芯资料都不能运用；有必要运用气绕。只需重复环绕和丈量。
Ltrap以磁场办法将谐波辐射到相邻的松懈无屏蔽线路（这是我常用的办法），因而我将圈套元件放在一个带有接地BNC插孔衔接的饼干罐中。咱们实验室中有饼干罐；我喜爱烧烤锅，但任何屏蔽钢质箱都能够。
为了校准，我将两个放大器替换为直通线，并记录下二次到四次谐波频率时从Rterm电压到频谱分析仪输入的增益。在失真测验中丈量谐波时，我运用所存储的该频率对应增益来揣度缓冲器输出端的谐波成分。我用一个示波器监测缓冲器基频输出的起伏，核算归一化谐波的有用值，然后除以基波起伏，得到全体失真。
成果
运用图5所示设置，频谱分析仪在70 V p-p和80 V p-p输出时的失真为-81 dBc，在50 V p-p和60 V p-p输出时的失真为-82 dBc，在16 V p-p和32V p-p输出时的失真为-86.5 dBc，频率均为100 kHz。
然后丈量直流线性度、增益精度和输入规模。图6显现了扫描输入直流信号时缓冲器的输入失调。
任何具有有用输入特性的放大器都能够如上所述进行自举，然后合作高压信号作业。超低输入噪声或超低失调放大器能够在数百伏下运转。
图6.缓冲器的VOS与VIN的联系。Rl = 50 kΩ和∞
万用表难以在±40 V信号的布景下解析亚微伏改变，但因为这是一个缓冲器，咱们能够简略地将电压表从输入衔接到输出以找到偏移量，并运用一个灵敏规模。关于±40 V输入，该万用表的共模按捺小于1μV（该测验的输入短路）。
曲线中的扰动是由低频噪声（尤其是热扰动）引起的。有人在邻近或空调就能导致气流和热改变，致使电路中呈现微伏级的塞贝克和热电偶电压差错。我没有很好的屏蔽室，但我用一些衣服遮住电路以避免气流影响。即便如此，成果仍有0.6μV rms的漂移。
在噪声中，无负载（绿色）曲线标明增益差错约为
0.03 ppm。还算不赖。未自举的LTC6240的标称增益差错为5.6 ppm，CMRR差错导致的最差状况增益差错为100 ppm。当加载50 kΩ（紫色）时，咱们看到增益差错为-0.38 ppm。该负载增益差错适当于0.02Ω的输出阻抗。很难知道0.02Ω来自何方——它或许是负载电流调制Vp或Vm，并经过LTC6240内的共模按捺或增益约束进程起作用，或许它或许仅仅导线和电路板电阻。无论怎么，为使增益坚持准确，咱们能够将LTC6240的反应长途衔接到终究负载，构成一个开尔文衔接。
图7显现了小信号脉冲呼应。
图7.小信号脉冲呼应
对绿色通道中的振铃我要表明抱歉，这是高压放大器的输出。它不是自行振铃的，原因仅仅我运用的示波器探针和板对板接地很一般。黄色通道是缓冲器输出，它是由Cin + Rin主导的简略指数图画。
图8显现了大信号脉冲呼应，输入压摆率为
±32 V/μs——很好很滑润的呼应。
图8.对中等输入压摆率（±32 V/μs）的大信号呼应
图9显现了缓冲器对过载压摆率的呼应。在100 kHz时80 V p-p输出要求峰值压摆率为±25 V/μs，这在所示的±32 V/μs才能规模内。
图9.对过载输入压摆率（±130 V/μs）的大信号呼应
请留意，输入滤波器将过载压摆率约束为缓冲器能够处理的量。纹波是自举电路无法跟从输出压摆的伪像，这导致压摆期间输入裕量重复过载。减小Cin会迫使输入压摆率变得更大，自举电路将无法跟从，导致波纹更丑陋。
总结
本文展现了一种让低压运算放大器缓冲器有用自举成高压缓冲器的办法。咱们选用了一款具有超卓输入特性的运算放大器，并进一步进步其功用，使其电压规模、增益精度、压摆率和失真功用均优于本来的运算放大器。
作者简介
Barry Harvey曾担任模仿IC规划人员，担任规划高速运算放大器、基准电压源、混合信号电路、视频电路、DSL线路驱动器、DAC、采样坚持放大器、倍增器等。他具有斯坦福大学的电气工程硕士学位。他具有20多项专利，宣布过许多文章和论文。Barry喜爱修理用过的测验设备、弹吉他以及研讨Arduino相关项目。
