PA42是美國APEX公司推出的一種高電壓單片場效應(yīng)管大功率運算放大器，它具有工作電壓高(350V)，靜態(tài)電流小、輸出電流大(峰值120mA，連續(xù)輸出電流可達120mA)、價格低廉等特點。使用該放大器可在提高可靠性的同時取得以前需在混合設(shè)計中才能達到的性能，它內(nèi)部的輸入保護電路避免了過高的共模、差模電壓及靜電泄放的影響，其安全工作區(qū)無二次擊穿限制，因此只要選擇合適的限流電阻就可驅(qū)動不同的負載。通過PA42的外部可調(diào)補償電路可以使設(shè)計人員根據(jù)具體的應(yīng)用來選擇合適的帶寬和增益。
PA42芯片采用10腳單列直插(SIP)密封陶瓷封裝，其引腳排列如圖1所示。各引腳功能定義如下：
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1腳：放大器正輸入端； 2腳：放大器負輸入端；
3腳、4腳：未用；
5腳：負電源；
6腳：正電源；
7腳：限流電阻輸入；
8腳：外部補償電阻輸入端；
9腳：外部補償電容輸入端；
10腳：放大器輸出端。
2 工作原理及外圍器件選擇
高壓器件和普通的低壓器件有很多的不同，在具體設(shè)計時由于工作電壓的增高就有很多問題需要重新考慮，圖2為放大器PA42的典型外圍元件連接圖。下面結(jié)合此圖介紹一下該器件的工作原理以及選擇外圍器件時應(yīng)當遵循的原則和需要注意的一些問題。
2.1 限流及限流電阻
為了使器件能夠正常工作，圖2中的限流電阻RcL的最小取值應(yīng)為18Ω。為了提高放大器的穩(wěn)定性，在滿足限流要求的前提下，應(yīng)盡量選取較大阻值的限流電阻。具體選取可根據(jù)下式來估計：
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RcL=3／ILim
應(yīng)當說明：在實際計算器件總的輸出電阻時，器件本身的典型輸出電阻加上最終選取的限流電阻才是器件的實際輸出電阻。還有一點需要注意的是：通過全部負載電流和限流電阻可以得到輸出電壓幅度受實際限流電阻影響的具體值，其計算公式如下：
VR=IoRcL
式中，VR為輸出電壓的減小量。
在實際設(shè)計中，對于對輸出電壓幅度有要求的場合，應(yīng)選用一個合適的工作電源。另外，當放大器限流的時候，在負半周的限流區(qū)會出現(xiàn)諧振頻率很難確定的小信號偽諧振，這是由器件本身的特性決定的。器件一旦擺脫限流狀態(tài)回到正常的工作狀態(tài)，諧振會自動停止。
2.2．輸入保護
許多高壓放大器都有一個輸入差分電壓等級，與低壓放大器相比，高壓放大器容易引起差分輸入過電壓，這種輸入端的過電壓一般是由于電源振蕩或者輸出端經(jīng)過電容CF瞬時反饋到輸入端而產(chǎn)生的。當需要放大器提供最大壓擺率以允許足夠高的差分輸入電壓滿足過載驅(qū)動時，通?？刹捎迷谳斎攵瞬⒙?lián)二極管鉗位的辦法，將差分輸入電壓鉗位在±0.7V或者 ±1.4V(如圖2所示)。這種二極管一般應(yīng)選擇象1N4148等低電容快信號的管子，如果考慮到低泄漏的因素，則2N4416、2N5457等場效應(yīng)管是首選類型。對于PA42來說，雖然其輸入保護電路可以承受高達 器件電源電壓的共模輸入以及高達±16V的差模輸入(超過16V的差模輸入將被輸入保護電路自動鉗位在16V)，但是如果輸入端負荷過重的話，從信號源僅僅取得幾個毫安的電流，保護電路就會受到破壞。在這種情況下，除了上面提到的二極管鉗位保護以外，在輸入引腳內(nèi)部300Ω的集成限流電阻的基礎(chǔ)上再在外部增加限流電阻即可起到保護作用，一般將輸入電流限制在lmA以下即可。
2.3 補償電容和補償電阻
當器件在大于10nF的容性負載下工作時，如果單位增益補償穩(wěn)定，那么，電路將有足夠的相角裕度。但是由求和點(器件的負輸入引腳)的點電容和反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的低通電路造成的相移有可能使器件的工作不穩(wěn)定。因此，按照通常的原則，求和點的負載電阻(輸入電阻和反饋電阻的并聯(lián))應(yīng)該在5kΩ左右，在低增益(<10)情況下還應(yīng)該更小一些。另外，可以采用在反饋電阻上并聯(lián)一旁路電容CF的方法來改善器件的穩(wěn)定性。但是，反饋電阻和并聯(lián)旁路電容的復(fù)合時間常數(shù)一定要和求和點電阻與求和點電容的時間常數(shù)相匹配。由于該器件采用外部補償，因而設(shè)計時可根據(jù)具體的應(yīng)用來選擇。外部補償電容Cc的耐壓值至少要等于放大器的工作電壓，有條件的話，應(yīng)當盡可能地選取溫度穩(wěn)定性較好的電容(象NPO電容等)，由于大部分電壓將加在Cc上，而Rc上的電壓很小或者為零，因此Rc一般選取標準的1／8W的金屬膜電阻就可以了。補償電容和補償電阻應(yīng)當盡可能近地焊接在對應(yīng)的放大器引腳處，以避免偽諧振的產(chǎn)生。
2.4 輸出二極管
一般的場效應(yīng)管高電壓放大器內(nèi)部都集成有輸出到電源端的保護二極管，而高壓雙極性放大器PA42內(nèi)部卻沒有集成這些二極管，因此，通常需要外接DFB(如圖2)。外接的管子應(yīng)當選擇快速反向恢復(fù)二極管。管子的恢復(fù)速度依照預(yù)期的回饋能量頻率一般應(yīng)選擇500ns或者更快。管子的最高反向耐壓至少應(yīng)當?shù)扔诜糯笃鞯碾娫措妷?。這樣，不管是對于壓電元件受到機械壓力而產(chǎn)生的偶然瞬時電壓，還是對于某些潛在的持續(xù)高能量回饋應(yīng)用場合，放大器都可以受到很好的保護。
2.5 瞬態(tài)電壓抑制器
實際上，電源線上通常都存在以下兩種不希望的瞬間電壓，首先是電源振蕩引起的過電壓，其次是當某一頻率的回饋能量通過保護二極管倒入電源時，放大器電源端相對于該頻率回饋能量而導(dǎo)致的放大器過電壓。在電源線和地之間跨接瞬間電壓抑制器Vtr可提供一低阻通道，從而起到很好的保護作用。如果采用無極性瞬態(tài)抑制器，在電源反接時，瞬態(tài)電壓抑制器還可以起到前向基準二極管的作用，從而有效防止反相的電流流過放大器。
2.6 反饋和輸入元件
圖2中的R1在正常情況下的耐壓很低，且功耗也很低，由于大部分輸入信號的峰值都低于10V，為此可選擇一標準的金屬膜電阻。RFl，RF2和RF3的選取要考慮到功耗、電阻的電壓系數(shù)等因素。
為了滿足這些電阻的功耗和電壓系數(shù)，一般可采取幾個電阻串聯(lián)到反饋回路的方法。
3 典型應(yīng)用
圖3是使用PA42設(shè)計的高壓鋸齒波發(fā)生器的連接電路，電路中的信號源部分采用美國MAXIM公司的函數(shù)發(fā)生器MAX038，產(chǎn)生的是頻率為200Hz-20kHz可調(diào)、幅值為±5V的鋸齒波，該鋸齒波經(jīng)過PA42放大即可獲得±100V的掃描電壓以用來驅(qū)動等離子體診斷探針。由于PA42具有良好的輸出線性度，因而具有很好的效果。
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4 結(jié)束語
PA42以其體積小、性價比高等特點在變形影像聚焦、生化激勵源、計算機和真空管的接口等多種場合得到了廣泛的應(yīng)用。由于該器件為場效應(yīng)管器件，其補償引腳都接到了內(nèi)部場效應(yīng)管的門極，因此，在測試和插拔的時候要格外注意，另外，在放大器的供電回路中不應(yīng)采用保險絲，因為這樣可能引起放大器的電源對地懸空而造成放大器的永久損壞。
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