航晶运放新突破：超高供电、超高压摆率的运放研制成功

一、研发背景
运算放大器是模拟电路的核心基础器件，被誉为模拟世界的 “心脏”与 “神经末梢”，承担着信号感知、放大、转换与驱动的关键作用。若无运放，传感器信号难以识别、ADC无法高精度采样、控制环路难以闭环。作为模拟集成电路中应用最广、用量最大的基础构件，运放的技术水平直接决定信号链的精度、速度与稳定性。
运放品类繁多，按工艺可分为双极型、CMOS、BiCMOS；按性能则涵盖通用、精密、高速、低功耗、低噪声、高压等类型。当前国内消费级低压低功耗运放已基本实现全国产替代，但高供电电压、高压摆率等高端领域，长期被 MSK、APEX等国际巨头垄断，而这类运放广泛应用于电机驱动、汽车BMS、光伏逆变器、特种电源等关键装备领域，自主可控需求极为迫切。
深耕高压、高温、高可靠模拟芯片领域二十余年的陕西航晶微电子有限公司，成为打破垄断的核心力量。自 2001 年成立以来，航晶微电子聚焦模拟电路信号链，在运放抗辐照、宽温区等领域积累了深厚工程经验，先后研发出HJPA83（低噪声高压运放）、HJGPA61（高电压大功率运放）、HJGPA85（高压高速运放）等多款标杆产品，技术实力国内领先，部分指标比肩甚至超越国际一线水平。
此次，航晶微电子再度突破，推出全国产化超高电压、超高压摆率运算放大器HJPA194，其供电电压高达±350V，压摆率达1600V/μs，可完全替代国外 APEX公司PA194。这一突破，为压电陶瓷驱动、半导体探针台、静电偏移系统、高压纳秒级脉冲源等高端场景，提供了技术自主的国产解决方案，彰显中国模拟芯片在“无人区”深耕破局的硬实力。
表1  PA194与HJPA194电参数对照表
测试环境温度T_A=25℃

参数名称	测试条件	PA194			HJPA194			单位	对比结论
		最小值	典型值	最大值	最小值	典型值	最大值
输入失调电压			±0.5	±5		±1	±5	mV	完全一致
增益带宽积@1MHz	RL=5KΩ		140			110		MHz	稍有差异
持续输出电流		100			100			mA	完全一致
压摆率		1800	2100		1200	1600		V/μs	稍有差异
电源电压		±50		±450	±50		±350	V	稍有差异
静态电流 （工作态）		20	25	30	18	21	28	mA	稍有差异
静态电流 （待机态）	MODE=-VS		4			4		mA	完全一致

 

从电气参数对比可见，HJPA194 与进口 PA194 关键指标整体匹配度高，输入失调电压、持续输出电流、待机态静态电流等核心参数完全一致；增益带宽积、压摆率、工作电源电压、工作态静态电流存在小幅差异，常规工况及标准电参数应用场景下，HJPA194 可实现对 PA194 原位兼容替代。

二、电原理图

三、封装形式及引出端功能
1．封装形式
采用功率外壳SIP8封装，外形尺寸及实物图如下。

图2  功率外壳SIP8外壳尺寸图

2.引出端排列及功能

图3  HJPA194引脚功能示意图
表1 引出端功能表

引脚	符号	功能	备注
1	-IN	运放反相输入端	输入端口
2	+IN	运放同相输入端	输入端口
7	CC	频率特性 补偿端	应用此引脚对地接电容能够改善输出信号的噪声特性与整个器件的速度特性
9	MODE	休眠/工作 模式选择	引脚接至-VS端，器件进入休眠模式； 引脚悬空，器件进入工作模式；
10	-VS	负电源引脚	负电源供电引脚，因高压供电应用下器件的功耗影响，需要搭配合适的旁路电容以减小电源噪声的影响
12	ILIM	过流保护端口	可以通过接外接电阻以设置器件的最大电流输出能力保护阈值
13	OUT	输出端	输出端口
15	+VS	正电源引脚	正电源供电引脚，因高压供电应用下器件的功耗影响，需要搭配合适的旁路电容以减小电源噪声的影响
3、4、5、6、8、11、14、16	NC	空脚	/

四、绝对最大额定值
电源电压-V_S~+V_S               ±350V            持续输出电流              100mA
差分输入电压                  ±20V             耗散功率                  30W
工作温度范围         -55℃～+125℃              引线耐焊接温度（10s）     +300℃
贮存温度范围         -65℃～+150℃
五、电特性
除非另有说明，±V_S=±90V，T_A=+25℃。

参数名称	测试条件	规范值			单位
		最小值	典型值	最大值
输入失调电压			±1	±5	mV
输入失调电压温漂*	-55℃~+125℃		±30	±200	uV/℃
偏置电流			1	10	nA
偏置电流温漂*	-55℃~+125℃		±50	±500	pA/℃
失调电流			1	10	nA
失调电流温漂*	-55℃~+125℃		±50	±500	pA/℃
输入电阻*			100		MΩ
共模输入电压范围*	±VS=±350V -55℃~+125℃	-VS+40		+VS-40	V
共模抑制比	VCM=±20V -55℃~+125℃	76	88		dB
开环增益	RL=5KΩ	96	110		dB
增益带宽积 @1MHz*	RL=5Ω -55℃~+125℃		110		MHz
功率带宽*	RL=5Ω -55℃~+125℃		500		kHz
输出电压摆幅	IO=100mA	±VS-30	±VS-22		V
	IO=10mA	±VS-25	±VS-20
持续输出电流*		100			mA
压摆率	-55℃~+125℃	1200	1600		V/μs
电源电压	-55℃~+125℃	±50		±350	V
静态电流 (工作态)	正常工作模式-55℃~+125℃	18	21	28	mA
静态电流 （待机态）	低功耗模式 -55℃~+125℃		4	6	mA

注：带*的参数仅为设计保证
六、典型应用
 

图4  HJPA194典型应用图
上图为运放HJPA194的简略应用图，构成了为一个简单的反相放大器应用。
1、过流保护功能
HJPA194内部集成有过流保护设置网络，通过简单外接一个限流电阻R1就可以对器件的输出峰值电流能力进行设置，具体计算关系满足下述公式所述：



其中电阻R1单位为Ω，电流I_LIM单位为A。
2、补偿电容调节
HJPA194为超高压、高速运算放大器，具备高增益、超高压摆率及高带宽特性。为避免器件工作过程中因自激振荡、外部噪声干扰等导致的信号失真，器件支持通过外接补偿电容C1对其频率特性进行补偿，以提升信号质量、降低信噪比。
补偿电容的选型需遵循核心原则：增益设置越大，所选补偿电容的容值应越小。若应用场景对增益与带宽有更高要求，可无需设置补偿电容。同时需注意，补偿电容的最高耐压值必须大于器件的最高工作电压，确保器件稳定可靠运行。
3、低功耗模式工作状态
相较于常规高压高带宽运算放大器，HJPA194增设可选择的低功耗工作模式。常规高压供电运算放大器在高压应用场景下，自身热功耗变高，不仅需要设计合理的散热结构，还可能降低器件的可靠性及使用寿命。
HJPA194可通过将Mode引脚接入器件负电源供电端口，使器件进入低功耗工作模式。该模式下，器件的带宽与压摆率相较于常规模式会有所降低，但静态工作电流将从常规模式的25mA降至5mA，自身热功耗降低至原来的1/5，有效优化热管理效率，提升器件长期工作可靠性。
4、输入差分保护网络
HJPA194的输入差分电压范围为±20V，为进一步提升器件抗干扰能力、防止输入端口损坏，需额外配置输入差分保护网络。推荐参考典型应用电路图，通过外接两个二极管D1、D2实现保护功能，二极管型号可选用通用型1N4148。
5、电源滤波网络
为防止HJPA194输出产生寄生振荡，并抑制电源端引入的高频噪声，电源旁路电容必须靠近器件电源引脚布置，且需选用高品质陶瓷电容器。推荐采用0.1μF与1μF电容并联的方式作为旁路电容，以实现全频段噪声抑制。
当器件工作于大电流输出模式时，需增大旁路电容容值，确保电源端可提供充足的瞬间能量，保障器件稳定驱动负载，避免因能量供应不足导致的性能异常。
6、HJPA194的使用注意事项
1）需特别关注的是，HJPA194典型应用于超高压供电环境，该环境存在多种潜在安全风险及电气隐患。因此，强烈建议用户在进行设备调试时，优先选择在±50V的相对安全供电模式下，完成所有关键参数的校准与优化、性能特性的验证与调整，以及各类故障的细致检查与彻底排除。待设备在低压条件下调试成熟、运行稳定可靠后，再逐步过渡到高电压的实际工况下，进行更为严格的测试与最终的系统调试工作。
2）HJPA194器件内部采用氧化铍（BeO）基片，其核心作用是降低器件整体热阻，提升散热性能及热管理效率。需特别注意，若基片在安装、运输或操作过程中遭受机械冲击、外力挤压等损伤，不仅会导致器件功能失效或性能下降，受损基片产生的氧化铍微细粉末还可能通过空气传播，经呼吸系统进入人体，对人体健康造成潜在威胁。因此，在器件应用及操作过程中，必须提高警惕，采取充分的防护措施，确保使用安全。
3）HJPA194静态工作电流较大，运行过程中会产生明显的热量积聚及发热现象。器件核心设计是将内部产生的热量最大限度地传导至器件底部的专用热沉块，以实现初步的热管理。因此，在实际应用时，必须在此基础上实施有效的二次散热措施，否则器件内部结温（Tj）将升高并超出安全范围。