當現成的運算放大器(op amp)不能提供特定應用所需的信號擺幅范圍時(shí)，工程師面臨兩種選擇：使用高壓運算放大器或設計分立解決方案，不過(guò)這兩種選擇的成本可能都很高。
對許多應用來(lái)說(shuō)，第三種選擇——自舉——可能是比較廉價(jià)的替代方案。除了動(dòng)態(tài)性能要求極為苛刻的應用，自舉電源電路的設計是相當簡(jiǎn)單的。
自舉簡(jiǎn)介
常規運算放大器要求其輸入電壓在其電源軌范圍內。如果輸入信號可能超過(guò)電源軌，可以通過(guò)電阻衰減過(guò)大輸入，使這些輸入降至電源范圍以?xún)鹊碾娖?。這樣處理并不理想，因為它會(huì )對輸入阻抗、噪聲和漂移產(chǎn)生不利影響。同樣的電源軌也會(huì )限制放大器輸出，閉環(huán)增益的大小存在一個(gè)限值，以避免將輸出驅動(dòng)到飽和狀態(tài)。
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(guò)自舉低壓運算放大器也能滿(mǎn)足應用要求。是否使用自舉主要取決于動(dòng)態(tài)要求和功耗限制。
自舉會(huì )創(chuàng )建一個(gè)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(shí)值為基準，有時(shí)稱(chēng)之為飛軌(flying rail) 配置。在這種配置中，電源隨著(zhù)運算放大器的輸出電壓(VOUT) 上下移動(dòng)。因此，VOUT始終處于中間電源電壓，并且電源電壓能夠相對于地移動(dòng)。使用自舉可以非常容易地實(shí)現這種自適應雙電源。
實(shí)際上，自舉必須符合一些準則，有些準則微不足道，但沒(méi)有一個(gè)準則是特別麻煩的。如下是zui基本的準則：
● 輸出負載不得過(guò)大。
● 響應速度不得低于運算放大器的壓擺率。
● 必須能處理所需的電壓水平和相關(guān)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(guān)于輸出電壓對稱(chēng)。這樣，輸出始終位于電源范圍內。
電路架構包括一對互補分立晶體管和一個(gè)阻性偏置網(wǎng)絡(luò )。 NPN 發(fā)射極（或 N 溝道 MOSFET 的源極引腳）提供 VCC， PNP 發(fā)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(guò)電阻分壓器從高壓電源獲得。圖 1 顯 示了簡(jiǎn)化高壓跟隨器原理圖。
理論上，自舉可以為任何運算放大器提供任意高的信號順從電壓。而在實(shí)際上，電源調整比例越大，動(dòng)態(tài)性能越差，因為運算放大器的壓擺率限制了電源對動(dòng)態(tài)信號的響應速度。放大器在zui大額定電源電壓或接近該電壓下工作時(shí)，電源引腳為跟上動(dòng)態(tài)信號而需要橫越的范圍zui小。當運算放大器在接近其zui高額定電源電壓下工作時(shí)，其他誤差源（如噪聲增益）也會(huì )降低。
不需要電源移動(dòng)很遠（或非?？欤┑牡皖l和直流應用，是自舉的zui佳候選應用。因此，高壓放大器能提供比動(dòng)態(tài)特性相當的低壓放大器更好的動(dòng)態(tài)性能，尤其是當二者均偏置為各自的zui大工作電源電壓并且自舉到相同信號范圍時(shí)。自舉也會(huì )影響直流性能，因此在直流精度和高電壓兩方面均經(jīng)過(guò)優(yōu)化的運算放大器可提供自舉配置能實(shí)現的zui佳直流和交流性能組合。
舉例：采用ADHV4702-1 的范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以下信號范圍的高壓設計得以簡(jiǎn)化。如果應用需要更高電壓，那么可以應用自舉技術(shù)，輕松地將電路工作范圍增加兩倍以上。下面說(shuō)明一個(gè)基于A(yíng)DHV4702-1 的 500 V放大器設計示例。
電壓范圍
如上所述，擴展器電路的范圍在理論上是無(wú)限的，但存在如下一些實(shí)際限制：
● 電源電壓和電流額定值
● 電阻和場(chǎng)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范圍內的電壓都有效。然而，功耗是基于所選擇的工作電壓在放大器和 FET 之間分配。對于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)越高，功耗也相應地進(jìn)行分配。應選擇適當的運算放大器電源電壓，從而以zui有利于散熱的方式在器件之間分配功耗。其次，使用下式計算將原始電源電壓(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。
對于下例，考慮運算放大器標稱(chēng)電源電壓為±100 V。對于需要±250 V 擺幅范圍的應用，通過(guò)下式計算分壓比：
然后，使用便于獲得的標準值電阻設計電阻分壓器，盡可能接近地實(shí)現此分壓比。請注意，由于涉及高電壓，電阻功耗可能比預期要高。
靜態(tài)功耗
對于所選電阻值，應選擇能夠應對相應靜態(tài)功耗的電阻尺寸。相反，如果電阻的物理尺寸受限，應選擇適當的電阻值來(lái)將散熱限制在額定范圍內。
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(gè)電阻器的功耗(V2/R) 限制在 0.5 W 以下。計算每個(gè)電阻的zui小值，如下所示：
將較高值電阻(45kΩ)作為功耗的限制因素，RBOT 值產(chǎn)生一個(gè) 2.5:1 分壓器，同時(shí)觀(guān)測靜態(tài)功耗限值為
其功耗為(100 V)2/30 kΩ = 0.33 W。
瞬時(shí)功耗
考慮到電阻的瞬時(shí)電壓取決于放大器的輸出電壓以及電源電壓，本例中任何時(shí)刻每個(gè)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(chǎn)生 相同的平均功耗，但任何非零平均輸出都會(huì )導致一個(gè)分壓器 的功耗高于另一個(gè)分壓器的功耗。對于滿(mǎn)量程直流輸出（或方波），瞬時(shí)功耗為zui大功耗。
在此示例中，為將瞬時(shí)功耗保持在 0.5 W 以下，每個(gè)分壓器中兩個(gè)電阻之和(RSUM)不得小于以下值：
因此，電阻比為 1.5:1（對于 2.5:1 分壓器）時(shí)，各個(gè)電阻的zui小值如下：
RTOP = 147 kΩ
RBOT = 98 kΩ
FET 選擇
承受zui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(gè) FET 處于zui大 VDS ，另一個(gè) FET 處于zui小 VDS 時(shí)，便可明白這一點(diǎn)。在前面的示例中，zui 高** 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zui壞情況 VDS 和工作電流來(lái)計算，并且必須選擇指定在此功率水平下工作的 FET。
接下來(lái)考慮 FET 的柵極電容，因為它會(huì )與偏置電阻一起形成一個(gè)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(zhù)降低電路的速度。從制造商的數據手冊中獲得柵極電容值，計算 RTOP和 RBOT并聯(lián)組合所形成的極點(diǎn)頻率。
偏置網(wǎng)絡(luò )的頻率響應必須始終快于輸入和輸出信號，否則放大器的輸出可能超出其自身的電源范圍。暫時(shí)偏離到放大器電源軌之外會(huì )有損壞輸入的風(fēng)險，而暫時(shí)飽和或壓擺受限會(huì )有造成輸出失真的風(fēng)險。任何一種狀況都可能導致負反饋暫時(shí)丟失和不可預測的瞬態(tài)行為，甚至可能因為某些運算放大器架構中的相位反轉而閂鎖。
性能
直流線(xiàn)性度
圖 2 顯示了增益誤差與輸入電壓的關(guān)系（直流線(xiàn)性度），增益為 20，電源為±140 V。
圖2. 增益誤差與輸入電壓的關(guān)系
壓擺率
圖 3 顯示了壓擺率曲線(xiàn)，增益為 20，電源為±140 V，測量值為 20.22 V/μs。
圖 3. 壓擺率
實(shí)現更高速度的權衡
功耗
如前所述，工作電壓較高時(shí)，FET 的擊穿電壓（和相關(guān)的柵極電容）以及電阻值也必須較高。較高的電阻和電容值都會(huì )造成帶寬降低，唯 一可用的調整因素是電阻值。降低電阻值會(huì )提高帶寬，但代價(jià)是功耗增加。
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(xiàn)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(gè)零點(diǎn)，抵消 FET 柵極電容所形成的極點(diǎn)。極點(diǎn)和零點(diǎn)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(jīng)濟的應用中，常常會(huì )讓常規運算放大器自舉。自舉有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。還有一個(gè)選擇，ADHV4702-1 提供一種高達 220 V的精密高性能解決方案，無(wú)需自舉。但是，當信號范圍要求超過(guò) 220 V時(shí)， 該器件可以自舉以處理超過(guò)標稱(chēng)信號范圍兩倍以上的電壓，同時(shí)提供比自舉低壓放大器更高的性能。