通用运算放大器 AD8634 的扩压方法

作者
Jeffery Li
文章來源
Cytech Engineer

通用运算放大器 AD8634 的扩压方法

本文提供一种通用运算放大器 AMP 在高电压工作环境下的电路设计。其基本原理是使用稳压二极管与三极管组成通用运算放大器 AMP 的供电网络,确保通用运算放大器 AMP 的供电电压不会超过工作电压的绝对值。

什么是运放扩压?

运放扩压是指在电路设计中,当输出电压范围超过运放的极限工作电压时,必须提高电源电压。比如,运放最大输出电压为 ±15V,假设要输出 ±30V 的信号,则需要扩压。本文以 ADI 的 AD8634 高压运算放大器为例,为大家具体讲解运放扩压技术,以及在运放扩压设计时需要注意的事项。

AD8634 的扩压原理分析

高压运算放大器 AD8634 的扩压技术原理,其本质是使用稳压二极管与三极管组成通用运算放大器 AMP 的供电网络,将增加扩宽的电压实质施加在二极管与三极管上,从而保证运放 AD8634 工作于安全的电压范围。以下具体分析 AD8634 的扩压过程。

AD8634 的扩压分析及计算过程:

U1 的工作电压设为 UAMP
UAMP = VDD - VSS --- ①
VDD = VDD1 - VQ2PN --- ②  (VQ2PN 为三极管 Q2 PN 节电压,约为 0.6 - 0.7V) 
VSS = VSS1 + VQ3PN --- ③  (同理 VQ3PN 为三极管 Q3 PN 节电压,约为 0.6 - 0.7V) 

方式 代入
UAMP = VDD1 - VSS1 - 2*VPN --- ④
VDD1 = VOUT + VD2 --- ⑤ 
VSS1 = VOUT - VD1 --- ⑥

VD1、VD2 为稳压管稳压电压,此案例选用的为 10V 稳压管

方式 代入
UAMP = VD2 + VD1 - 2*VPN --- ⑦

AD8634 的原理建模,如下图 (图1) 所示:

图1 原理图建模
图1 原理图建模

AD8634 的扩压分析结论:

由方式 ⑦ 中看出,运算放大器 AMP 两端稳压二极管的稳压电压,即为 AMP 工作电压。只要确保两端稳压二极管电压,在 AMP 的工作电压的绝对值范围内,AMP 就不会被烧毁,能够正常工作。

运放扩压设计的注意事项

AMP 的输入保护

由于上电和断电瞬间,外围电路处于不确定状态,使得 AMP 工作处于开环状态。增加上图 (图1) 中 D3 / D4,用于钳位过大异常的差模信号。

AMP 的输出保护

上图 (图1) 中电阻 R 和双向稳压管 DZ 构成限幅电路。电阻 R 的作用将负载与 AMP 输出分别隔离,限制 AMP 输出电流,稳压管 DZ 限制输出的电压幅值。保护措施是有限的,实际需要根据具体设计要求而定,如限流电阻 R 的取值需根据 AMP 最大输出电流计算,同样 DZ 的取值应不低于输出信号的最高值。

三极管选型的注意事项

  • 耐压值高,即VCEO/VCBO的值高。考虑MOS管的安全工作区域;
  • 散热(结温&温升),为提高效率,降低功耗,可设计可编程电源供电。

在实际运用中增加输入输出保护,如下图 (图2) 所示:

图2 实际运用增加输入输出保护
图2 实际运用增加输入输出保护

辅助说明

查阅 AD8634 规格书,AD8634 工作电压绝对值为 36V,如下图 (图3) 所示:

图3 AD8634 工作电压±18V
图3 AD8634 工作电压±18V

根据上文提及的 “AD8634 的扩压技术原理分析”,利用稳压二极管 D1 / D2 (选用 10V 稳压管),使 AD8634 的工作电压绝对值控制在 20V 内。分别矩阵波 / 正弦波 (±5V) 输入10 倍增益输出 LT spice 仿真效果,如下图 (图4、图5) 所示:

图4  输入±5V矩阵波(红色)增益10倍输出±50V(绿色)
图4  输入 ±5V矩阵波(红色)增益10倍输出 ±50V(绿色)
图5 输入±5V正弦波(蓝色) 增益10倍输出±50V(绿色)
图5 输入 ±5V正弦波(蓝色) 增益10倍输出 ±50V(绿色)

总结

通过以上扩压机构设计,轻松使通用运放工作在高压区实现扩压功能,在确保不失真放大的情况下,输出更高电压幅值。经过扩压的通用运放,能应用于更多场景,根据实际设计需求,还能替代专业高压运放,大大降低成本。欲了解更多技术细节和 ADI 相关方案,您可以点击下方「联系我们」,提交您的需求,我们骏龙科技公司愿意为您提供更详细的技术解答。

 

更多資訊: