ADHV4702-1：高壓精密運算放大器的卓越之選

在電子工程領(lǐng)域，對于高性能、高可靠性的運算放大器的需求始終存在。今天，我們就來深入了解一款由Analog Devices推出的高壓精密運算放大器——ADHV4702 - 1。

文件下載：ADHV4702-1.pdf

一、ADHV4702 - 1概述

ADHV4702 - 1是一款能夠承受220V高壓的運算放大器，具備單位增益穩(wěn)定特性。它采用了Analog Devices下一代專有的雙極/互補金屬氧化物半導(dǎo)體/橫向擴散金屬氧化物半導(dǎo)體（BCDMOS）工藝，在輸入級架構(gòu)上具有高輸入阻抗、低輸入偏置電流、低輸入失調(diào)電壓、低漂移和低噪聲等優(yōu)點，非常適合對精度要求極高的應(yīng)用場景，比如自動化測試設(shè)備（ATE）。

二、關(guān)鍵特性剖析

1. 寬工作電壓范圍

• 支持雙電源供電，范圍為±12V至±110V。
• 也能進行不對稱電源操作，電壓范圍從24V到220V。這種寬電壓范圍的支持，使得它在不同的電源配置下都能穩(wěn)定工作，大大提高了其適用性。

2. 出色的輸入特性

• 輸入共模電壓范圍寬，距離電源軌僅3V。
• 輸入偏置電流極低，最大為2pA。
• 輸入失調(diào)電壓最大為1mV，失調(diào)電壓漂移最大為2μV/°C。
• 輸入電壓噪聲在10kHz時典型值為8nV/√Hz。這些特性保證了在微小信號處理時的高精度和低誤差。

3. 高增益與高共模抑制比

• 典型開環(huán)增益（AOL）高達170dB，典型共模抑制比（CMRR）為160dB。這使得它能夠有效地抑制共模信號，放大差模信號，提高信號處理的準確性。

4. 快速的壓擺率

• 典型壓擺率為74V/μs，在使用外部輸入鉗位二極管時典型值為24V/μs。高的壓擺率意味著它能夠快速響應(yīng)輸入信號的變化，適用于處理高速信號。

5. 其他特性

• 具有寬小信號帶寬，典型值為10MHz。
• 靜態(tài)電流可通過電阻調(diào)節(jié)，范圍為0.6mA至3mA（(V_S = pm 110V)）。
• 具備單位增益穩(wěn)定性、熱監(jiān)測功能、關(guān)斷模式等。小巧的封裝尺寸，采用12引腳、7mm×7mm的LFCSP封裝，符合IEC 61010 - 1間距標準。

三、應(yīng)用領(lǐng)域拓展

1. 高端電流感應(yīng)

在需要精確測量電流的場合，ADHV4702 - 1的高精度和低噪聲特性能夠確保測量結(jié)果的準確性。

2. 自動化測試設(shè)備

由于其寬電壓范圍和高增益等特性，能夠滿足自動化測試設(shè)備對不同信號處理的需求。

3. 高壓驅(qū)動器

可以為需要高壓驅(qū)動的負載提供穩(wěn)定的驅(qū)動信號。

4. 壓電換能器

在壓電換能器的應(yīng)用中，它能夠提供精確的電壓控制，實現(xiàn)對換能器的有效驅(qū)動。

5. 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）輸出緩沖

作為DAC的輸出緩沖器，能夠提高輸出信號的驅(qū)動能力和穩(wěn)定性。

6. 激光雷達（LiDAR）、雪崩光電二極管（APD）、單光子雪崩二極管（SPAD）偏置

在這些對信號精度和穩(wěn)定性要求極高的應(yīng)用中，ADHV4702 - 1能夠提供可靠的偏置電壓。

四、工作原理與內(nèi)部保護機制

1. 功能框圖

從其功能框圖可以看出，它由輸入級、高側(cè)增益級、低側(cè)增益級等部分組成，各個部分協(xié)同工作，實現(xiàn)信號的精確放大和處理。

2. 內(nèi)部靜電放電（ESD）保護

內(nèi)部配備了ESD保護電路，包括電流轉(zhuǎn)向二極管和輸入鉗位二極管。在正常工作時，ESD保護電路處于非激活狀態(tài)。但在遇到過電壓情況時，能夠防止輸入和輸出引腳受到損壞。不過，在使用時要注意避免引腳電壓超過絕對最大額定值，并且確保輸入差分電壓不超過4VF。如果需要，還可以添加外部輸入鉗位二極管來保護壓擺提升電路。

3. 壓擺提升電路與保護

為了實現(xiàn)74V/μs的典型壓擺率，ADHV4702 - 1采用了壓擺提升電路。該電路通過感應(yīng)放大器的差分輸入電壓，并將其轉(zhuǎn)換為動態(tài)電流，幫助驅(qū)動放大器信號路徑中的電容。當輸入電壓增大時，產(chǎn)生的動態(tài)電流也會增加，從而使放大器能夠更快地壓擺。但在連續(xù)接近全功率帶寬工作時，可能會導(dǎo)致結(jié)溫升高，甚至損壞器件。因此，可以通過使用額外的熱管理措施或外部二極管將輸入差分電壓限制在2VF來擴展安全工作區(qū)域（SOA），不過這樣會限制壓擺率和大信號帶寬。

五、引腳配置與功能說明

1. 引腳配置

它共有12個引腳，包括非反相輸入（IN +）、反相輸入（IN -）、正電源輸入（VCC）、負電源輸入（VEE）、輸出（OUT）、溫度監(jiān)測輸出（TMP）、關(guān)斷（SD）、電阻可調(diào)靜態(tài)電流（RADJ）、數(shù)字地（DGND）、外部補償（COMP）等引腳，還有一個暴露的熱焊盤（EPAD）。

2. 引腳功能

• RESERVED：保留引腳，內(nèi)部相連，可以浮空或連接到DGND。
• IN +：非反相輸入引腳。
• VEE：負電源輸入引腳。
• TMP：用于監(jiān)測芯片溫度，其輸出電壓隨溫度變化，可用于監(jiān)測功耗和實現(xiàn)熱關(guān)斷。
• OUT：輸出引腳。
• VCC：正電源輸入引腳。
• SD：關(guān)斷引腳，低電平有效，可用于降低靜態(tài)電流，實現(xiàn)電源節(jié)省。
• RADJ：通過連接電阻到DGND，可以調(diào)節(jié)靜態(tài)電流，以平衡功耗和性能。
• DGND：作為所有低電壓引腳的參考地，必須連接到0V數(shù)字地或模擬地，不能浮空。
• COMP：用于外部補償，可提高驅(qū)動容性負載時的穩(wěn)定性。
• EPAD：熱焊盤，無內(nèi)部電氣連接，可連接到外部接地平面或散熱器，以改善散熱。

六、典型性能特性分析

通過一系列的圖表可以直觀地看到ADHV4702 - 1在不同條件下的性能表現(xiàn)。例如，開環(huán)增益和共模抑制比隨頻率的變化曲線、輸入偏置電流和失調(diào)電壓隨溫度的變化曲線、電源抑制比（PSRR）的分布曲線等。這些特性曲線能夠幫助工程師更好地了解該放大器的性能，為實際應(yīng)用提供參考。

七、應(yīng)用信息與注意事項

1. 電源與去耦

可以采用單電源或雙電源供電，最小電源電壓差為24V。每個電源引腳都需要使用高質(zhì)量、低等效串聯(lián)電阻（ESR）的0.1μF電容進行去耦，并盡可能靠近電源引腳放置。同時，還需要從每個電源到地連接1.2μF鉭電容，以提供足夠的低頻去耦和支持大的快速壓擺信號。旁路電容的電壓額定值必須高于放大器的電源電壓，以確保在高壓下的可靠運行。

2. 高壓保護環(huán)

其引腳布局便于在放大器的非反相輸入周圍使用保護環(huán)。保護環(huán)可以減少附近引腳的泄漏電流，有助于實現(xiàn)低輸入偏置電流的優(yōu)勢。保護環(huán)必須沒有阻焊層，并且要驅(qū)動到與放大器輸入電位跟蹤的電位。

3. 高壓DAC電壓減法器

可以與雙16位電壓輸出DAC（如AD5752R）結(jié)合使用，構(gòu)成一個多功能的高壓DAC解決方案。在這種配置下，將ADHV4702 - 1設(shè)置為增益為20的電壓減法器，適用于化學(xué)分析（質(zhì)譜）、壓電驅(qū)動、掃描電子顯微鏡（SEM）、激光雷達APD/SPAD和硅光電倍增管偏置控制等應(yīng)用。

4. 高電流輸出驅(qū)動器

通過引入離散的單位增益輸出級，可以將ADHV4702 - 1用作高功率輸出驅(qū)動器，同時保留其作為獨立放大器的精度性能，如失調(diào)、漂移、開環(huán)增益和共模抑制比等，并且能夠?qū)⑤敵鲭娏黩?qū)動能力提高到離散器件的電流處理能力。

5. 信號范圍擴展器

通過引入兩個額外的高功率離散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET），可以擴展信號范圍至少兩倍（具體取決于MOSFET的選擇），同時保留放大器的原始性能特性。

6. 不對稱電源操作

在需要不對稱電源操作時，需要注意輸入共模電壓范圍和輸出電壓擺幅限制。通過一些典型的不對稱電源操作案例和仿真結(jié)果可以看到，在不同的電源配置下，放大器仍然能夠正常工作，但需要根據(jù)具體應(yīng)用進行檢查。

7. DGND電平修改

對于需要正不對稱電源但超過最大允許電源電壓的應(yīng)用，可以通過修改DGND電平來解決。這需要使用齊納二極管、電阻和電容來建立一個穩(wěn)定的電平偏移DGND電壓，同時還需要一個外部電路來控制SD引腳，以充分利用放大器的關(guān)斷功能。

八、總結(jié)

ADHV4702 - 1作為一款高性能的高壓精密運算放大器，憑借其寬工作電壓范圍、出色的輸入特性、高增益和高共模抑制比、快速的壓擺率等優(yōu)點，在多個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。在實際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的需求，合理選擇電源配置、引腳連接和外部電路，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。同時，要注意靜電放電保護、熱管理和信號處理等方面的問題，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。大家在實際使用中有沒有遇到過類似高性能運算放大器的應(yīng)用難題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。