Controlați și amplificați tensiunile înalte în mod eficient și sigur cu amplificatorul operațional de înaltă tensiune potrivit

Există multe aplicații care necesită amplificatoare operaționale care pot funcționa la tensiuni ridicate (peste 60 V până la 100 V) datorită naturii semnalului de intrare sau caracteristicilor sarcinii de ieșire. Aceste aplicații includ drivere piezoelectrice în imprimantele cu jet de cerneală și 3D, precum și traductoare de ultrasunete și alte instrumente medicale, drivere ATE și surse de câmp electric.

Acestea nu sunt amplificatoare operaționale tipice, deoarece trebuie să îndeplinească cerințele privind viteza de salt în fața unor sarcini nerezistive (inductive, capacitive), necesită o sursă de alimentare foarte bine reglată și, odată ce tensiunile depășesc 60 V, proiectantul se confruntă cu cerințe de reglare stricte și exigente. În funcție de aplicație, este posibil să existe și curenți mari, ceea ce duce la probleme legate de gestionarea termică.

Pentru a rezolva aceste probleme, sunt disponibile amplificatoare operaționale standard monolitice și hibride de înaltă tensiune bazate pe procese speciale. Cu toate acestea, ele necesită considerente speciale în ceea ce privește selecția, proiectarea și dispunerea lor pentru a îndeplini în mod consecvent și sigur obiectivele de proiectare a sistemului. Acest articol va examina utilizarea amplificatoarelor operaționale de tensiune mai mare (>100 V) în aplicațiile lor unice (dar surprinzător de comune) și va prezenta aplicarea lor cu succes.

De ce este nevoie de înaltă tensiune?

Aplicațiile reprezentative pentru amplificatoarele operaționale de înaltă tensiune sunt numeroase și variate. Cele mai multe dintre acestea necesită atât tensiuni mai mari, cât și un control precis, deoarece dezvoltă versiunea cu câștig de tensiune a semnalului de intrare de tensiune mai mică. În cele mai multe cazuri, acestea nu sunt semnale de înaltă tensiune de tip pornire/oprire, astfel că este mai degrabă nevoie de un amplificator liniar decât de o funcție mai simplă de comutare de înaltă tensiune. Unele dintre aceste aplicații, care necesită adesea o ieșire bipolară, includ:

• Drivere piezoelectrice în imprimante cu jet de cerneală, traductoare de ultrasunete și supape precise de măsurare a debitului
• Drivere de echipamente de testare automată (ATE) utilizate pentru acționarea completă a altor circuite integrate, dispozitive hibride și module
• Instrumente științifice, cum ar fi contoarele Geiger
• Diodele laser de intensitate ridicată ale sistemelor de imagistică cu detectare și telemetrie a luminii (LiDAR) pentru automobile
• Crearea de câmpuri electrice utilizate adesea în testele biomedicale asupra fluidelor

Multe dintre aceste sisteme funcționează, cel puțin în parte, la tensiuni mai mari, dar au curenți mici sau modești (10-100 mA), așadar, nu sunt „de mare putere” în sensul obișnuit. Prin urmare, accentul în ceea ce privește proiectarea se pune mai mult pe controlul și furnizarea tensiunii necesare decât pe gestionarea căldurii generate.

De exemplu, un amplificator operațional care furnizează 100 V la 100 mA unei sarcini reprezintă o cerere modestă de 10 W de la sursă (plus o putere suplimentară pentru pierderile interne, de obicei între 20% și 30%). Deși acesta nu este cu siguranță un scenariu de „micro-putere”, nu este neapărat unul dificil din punct de vedere termic, deoarece cea mai mare parte din cei 10 W se duc la sarcină și, prin urmare, nu este disipată de componentele electronice. Cu toate acestea, disiparea termică este un aspect care trebuie luat întotdeauna în considerare atunci când se abordează un proiect.

În ceea ce privește amplificarea de înaltă tensiune prin intermediul unui amplificator operațional, iată câteva probleme generale cu care se confruntă proiectantul:

• Alegerea și aplicarea unui amplificator operațional adecvat
• Optimizarea performanțelor dispozitivului de înaltă tensiune
• Furnizarea șinelor de înaltă tensiune c.c. pentru amplificatorul operațional, care poate fi aceeași cu cea de alimentare a sarcinii
• Garantarea siguranței la înaltă tensiune și respectarea mandatelor de reglementare în amenajare și construcție

Alegerea și aplicarea amplificatorului operațional

Un amplificator operațional de înaltă tensiune nu este același lucru cu un amplificator tradițional. În general, un amplificator oferă un câștig de putere la o anumită combinație de tensiune și curent și, de obicei, la o sarcină rezistivă. În schimb, un amplificator operațional este configurat să crească tensiunea în timp ce livrează un curent maxim specificat la sarcină. Mai mult, amplificatorul operațional poate fi configurat pentru un câștig fix sau reglabil și poate fi utilizat într-o varietate de topologii, pe lângă blocul „simplu” cu câștig de tensiune.

În trecut, majoritatea proceselor circuitelor integrate utilizate pentru funcții liniare, cum ar fi amplificatoarele operaționale, erau limitate la un maxim de aproximativ 50 V. Pentru a crea un amplificator operațional de tensiune mai mare, proiectanții au adăugat tranzistoare externe, discrete, de înaltă tensiune la ieșire pentru a funcționa ca amplificatoare de tensiune. Se prezintă utilizarea amplificatorului operațional JFET de precizie LT1055 de la Analog Devices într-un circuit cu tranzistoare de amplificare complementare pentru a furniza ±120 V (Figura 1).

Figura 1: o abordare pentru producerea ieșirilor de tensiune mai mare a amplificatorului operațional este adăugarea de tranzistoare de amplificare complementare la un dispozitiv de bază, cum ar fi LT1055 de la Analog Devices, pentru a profita de caracteristicile de intrare ale amplificatorului operațional; acest proiect duce ieșirea la ±120 V. (Sursa imaginii: Analog Devices)

Deși acest lucru funcționează, dezavantajul este că necesită o listă de materiale mai complicată și mai costisitoare în comparație cu circuitul integrat singur și că implică probleme inevitabile privind dispunerea. De asemenea, este dificil să se obțină și să se mențină o performanță simetrică între oscilațiile de ieșire pozitive și negative, minimizând în același timp distorsiunea prin punctul de trecere prin zero. Aceste probleme sunt, de obicei, rezultatul unor componente nepotrivite (în principal, tranzistori NPN și PNP) și al unui dezechilibru în dispunerea fizică.

Selectarea unui amplificator operațional de înaltă tensiune începe prin evaluarea parametrilor care sunt similari cu cei pentru orice amplificator operațional, deși numerele specifice vor fi, desigur, diferite. Procesul este oarecum simplificat, deoarece există relativ puține oferte de înaltă tensiune. Considerentele privind proiectarea cuprind trei domenii principale:

1. Factorii de prim rang sunt tensiunea de ieșire, curentul de ieșire, lățimea de bandă, viteza de salt și performanța unipolară comparativ cu cea bipolară.
2. Alte preocupări sunt limitările în ceea ce privește viteza de salt și tipul de sarcină, precum și erorile de abatere legate de temperatură, care pot apărea în forma de undă a ieșirii.
3. În cele din urmă, există probleme legate de protecția împotriva suprasarcinii termice, excesul de curent și alte probleme care afectează toate amplificatoarele.

Depășirea limitărilor

Proiectanții trebuie să evalueze care dintre amplificatoarele operaționale de înaltă tensiune disponibile nu numai că îndeplinesc criteriile obligatorii de la nr. 1, dar au și specificații de eroare suficient de scăzute pentru a îndeplini cerințele și, de asemenea, că oferă suficientă protecție încorporată sau pot fi echipate cu protecție externă, cum ar fi limitarea curentului.

Adaptarea performanțelor unui dispozitiv care îndeplinește aproape toate cerințele trebuie gândită bine. De exemplu, uneori, „cel mai bun” amplificator operațional disponibil încă prezintă lipsuri în privința unui factor, cum ar fi instabilitatea în timp ce acționează o sarcină capacitivă, sau o capacitate suficientă a curentului de ieșire, sau o abatere excesivă a temperaturii. Proiectantul trebuie să decidă dacă va căuta un alt amplificator operațional, care poate avea un alt neajuns, sau să-l ia pe cel mai bun și să-i extindă performanțele.

Câteva exemple ilustrează această situație dificilă:

Sarcini capacitive: ADHV4702-1 de la Analog Devices este un amplificator operațional de înaltă tensiune și de precizie (Figura 2). Dispozitivul poate funcționa de la surse duble simetrice de ±110 V, surse asimetrice sau o singură sursă de +220 volți și poate furniza ieșiri de la ±12 V la ±110 V la o tensiune de până la 20 mA.

Amplificarea în buclă deschisă (A_OL) de 170 de decibeli (dB) este un factor cheie al performanței sale ridicate. Acesta poate acționa cu ușurință sarcini capacitive modeste, dar pe măsură ce această sarcină crește, polii funcției sale de transfer se vor deplasa, ceea ce determină apariția vârfurilor la ieșire și o posibilă instabilitate din cauza marjei de fază reduse.

Proiectanții de amplificatoare operaționale au venit cu o soluție la această problemă. Adăugarea unui rezistor în serie între ieșire și pinul C_Load îi permite să acționeze sarcini mai mari de 1 microfarad (µF) (Figura 2).

Figura 2: plasarea unui rezistor în serie (R_S) între ieșirea amplificatorului și C_LOAD permite dispozitivului ADHV4702-1 să acționeze sarcini capacitive mai mari de 1 μF. (Sursa imaginii: Analog Devices)

Cu toate acestea, adăugarea acestui rezistor poate provoca vârfuri de sarcină modeste (Figura 3).

Figura 3: R_S în funcție de C_LOAD pentru un vârf maxim de 2 dB pentru circuitul din Figura 2 la câștig unitar, tensiune de alimentare de ±110 V și V_OUT = 100 V_p-p. (Sursa imaginii: Analog Devices)

În cazul în care chiar și 2 dB reprezintă un vârf de sarcină excesiv pentru aplicație, ADHV4702-1 acceptă compensarea externă prin intermediul unui condensator plasat între pinul de compensare și masă. Prin selectarea corectă a rezistorului și a condensatorului, este posibilă asigurarea stabilității cu sarcini capacitive cu un răspuns aproape plat pe întreaga lățime de bandă (Figura 4).

Figura 4: răspunsul în frecvență de semnal mic în funcție de compensarea externă pentru ADHV4702-1 la câștig unitar, o alimentare de ±110 V, V_OUT = 100 V_p-p, R_f = 0 Ω și C_COMP = 5,6 picofarazi (pF). (Sursa imaginii: Analog Devices)

Acționarea unui curent de ieșire mai mare: amplificatorul operațional OPA454AIDDAR de la Texas Instruments furnizează între ±5 V și ±50 V de la o singură sursă de alimentare de la 10 V până la 100 V, respectiv. Aceasta reprezintă jumătate din tensiunea nominală de ieșire față de cea a modelului ADHV4702-1 (100 V față de 200 V), dar are o acționare a curentului de două ori mai mare (50 mA față de 20 mA). Cu toate acestea, este posibil ca această cantitate suplimentară de curent furnizat/absorbit să nu fie suficientă pentru anumite sarcini, în special dacă sarcina este formată din sarcini mai mici în paralel.

Există două opțiuni care rezolvă această problemă pentru OPA454. În primul rând, două (sau mai multe) dispozitive OPA454AIDDAR pot fi conectate în paralel (Figura 5).

Figura 5: plasarea în paralel a două amplificatoare operaționale OPA454AIDDAR va crește liniar capacitatea lor pentru curentul de ieșire. (Sursa imaginii: Texas Instruments)

Amplificatorul A1 acționează ca amplificator master și poate fi configurat pentru orice configurație de amplificator operațional, nu doar ca o unitate de amplificare de bază. Amplificatorul A2, care poate fi unul singur sau în număr mai mare, este un dispozitiv slave. Acesta este configurat ca un tampon cu câștig unitar care urmărește ieșirea lui A1, adăugând în același timp un curent de comandă suplimentar.

O alternativă pentru a obține mai mult curent decât poate furniza un singur amplificator sau mai multe dispozitive slave este utilizarea tranzistoarelor externe de amplificare a curentului de ieșire (Figura 6).

Figura 6: o alternativă la plasarea în paralel a dispozitivelor OPA454 este utilizarea tranzistoarelor de ieșire externe. Astfel se poate obține un curent de ieșire și mai mare. În acest caz, ele măresc curentul de ieșire la peste 1 amper. (Sursa imaginii: Texas Instruments)

Prin utilizarea tranzistoarelor prezentate, configurația poate furniza peste 1 amper. Cu toate acestea, spre deosebire de utilizarea amplificatoarelor operaționale OPA454 suplimentare, este posibil ca perechea de tranzistoare complementare să nu ofere nivelul de performanță fără distorsiuni și liniaritatea necesare. Dacă acest curent mai mare este necesar și tranzistoarele sunt soluția preferată, poate fi necesară utilizarea perechilor de tranzistoare PNP/NPN complementare potrivite.

Coeficientul de temperatură și abaterea: la fel ca în cazul tuturor componentelor analogice, coeficientul de temperatură afectează performanța și precizia, iar abaterea temperaturii la decalajul intrării (dV_OS/dT) va deveni parte a ieșirii amplificate. Pentru OPA454, specificația dV_OS/dT este destul de scăzută, la ±1,6 μV/°C (tipic) și ±10 μV/°C (maxim) în intervalul de temperatură ambiantă specificat, de la -40 °C la +85 °C.

Dacă acest număr este prea mare, adăugarea unui așa-numit amplificator operațional „cu abatere zero” ca preamplificator înainte de OPA454 de înaltă tensiune va reduce abaterea generală (Figura 7). Cu OPA735 de la Texas Instruments ca preamplificator cu abatere zero, abaterea coeficientului de temperatură a amplificatorului de înaltă tensiune poate fi menținută la 0,05 μV/°C (maxim) de abatere a primului etaj, ceea ce oferă un factor de reducere de 200.

Figura 7: adăugarea amplificatorului operațional OPA735 cu abatere aproape zero în traseul de intrare a OPA454 rezultă într-un circuit de înaltă tensiune cu două etaje, cu o abatere de temperatură cu decalaj foarte scăzut la intrare. (Sursa imaginii: Texas Instruments)

Probleme termice și protecție

Chiar dacă nivelurile de curent pot fi modeste, disiparea internă datorată tensiunilor mai mari poate fi o problemă, conform ecuației putere = tensiune × curent. Modelarea termică este esențială, începând cu ecuația de bază a temperaturii de joncțiune: T_J = T_A + (P_D × Θ_JA), unde T_J este temperatura de joncțiune, T_A este temperatura mediului ambiant, P_D este puterea disipată și Θ_JA este rezistența termică a pachetului față de mediul ambiant. Aceasta din urmă este determinată de tehnicile de montare și de mediul înconjurător, inclusiv de disiparea căldurii, de fluxul de aer și de cuprul de pe placa de circuite imprimate.

Recunoscând importanța și prezența căldurii generate, circuitele integrate, cum ar fi OPA454 și ADHV4702-1, încorporează circuite de oprire termică. De exemplu, circuitele din OPA454 declanșează o oprire termică automată în care ieșirea trece la o stare de impedanță ridicată atunci când temperatura internă a dispozitivului atinge 150 °C. Acesta rămâne în modul de oprire termică până când se răcește la 130 °C, moment în care se pornește. Acest histerezis previne oscilația pornit/oprit a ieșirii în jurul unei limite termice.

Limitele de disipare nu sunt doar o funcție a puterii de ieșire statice, ci sunt afectate și de frecvența de funcționare și de viteza de salt, ceea ce poate duce la o încălzire excesivă a etajului de ieșire. Este esențial să studiați graficele zonei de funcționare sigură (SOA) pentru orice astfel de unitate, începând cu SOA statică a modelului ADHV4702-1 (Figura 8).

Figura 8: este esențial să se studieze graficele zonei de funcționare sigură (SOA). SOA în curent continuu a dispozitivului ADHV4702-1 este reprezentată de zona de sub curbe, la temperaturi ambiante de 25 ⁰C și 85 ⁰C, cu un câștig de 20 V și o alimentare de ±110 volți. (Sursa imaginii: Analog Devices)

SOA dinamică este, de asemenea, importantă. ADHV4702-1 dispune de un circuit intern de amplificare a vitezei de salt pentru a obține o lățime de bandă de semnal mic de 19 megahertzi (MHz) și o viteză de salt de 74 V/microsecundă (µs), dar acest circuit de amplificare poate consuma o cantitate mai mare de curent în funcție de semnal. Din acest motiv, se pot utiliza diode externe cu ADHV4702-1 pentru a limita tensiunea de intrare diferențială (Figura 9).

Figura 9: diodele externe de la intrarea ADHV4702-1 vor proteja dispozitivul de efectele termice ale curentului ridicat al circuitului de amplificare prin limitarea tensiunii de intrare diferențiale. (Sursa imaginii: Analog Devices)

Acest lucru protejează amplificatorul în funcționarea dinamică, dar limitează viteza de salt și lățimea de bandă a semnalelor mari, limitând astfel curentul produs de circuitul de creștere a vitezei de salt și reducând disiparea internă de putere (Figura 10).

Figura 10: SOA dinamică la temperaturi ambiante de 25 °C și 85 °C, cu și fără diode de fixare, în aceleași condiții ca și SOA statică. (Sursa imaginii: Analog Devices)

Nu toate driverele de înaltă tensiune includ protecție termică, deoarece SOA largă face ca un circuit intern să fie prea restrictiv. De exemplu, PA52 de la Apex Microtechnology este un amplificator de înaltă tensiune și de mare putere care poate furniza până la 40 amperi (continuu)/80 amperi (de vârf) la o viteză de salt de 50 V/µs pe o oscilație de tensiune unipolară sau bipolară de 200 V. Deoarece nivelurile de disipare pot fi atât de ridicate, diagrama SOA a acestui dispozitiv este un element critic în proiectarea sistemului, acoperind atât modurile de curent continuu, cât și cele cu impulsuri (Figura 11).

Figura 11: SOA pentru un amplificator de înaltă tensiune (±100 V) și curent ridicat (80/40 amperi), cum ar fi PA52 de la Apex Microtechnology, variază pe o gamă largă, în funcție de modul de funcționare – în regim stabil sau pulsatoriu. (Sursa imaginii: Apex Microtechnology)

Cel mai probabil, pentru PA52, proiectanții vor dori să adauge un rezistor extern de detectare a curentului high-side între ieșire și sarcină pentru a măsura curentul de ieșire și, astfel, pentru a evalua puterea. Dimensionarea acestui rezistor este întotdeauna un compromis între o valoare ridicată a rezistenței și o valoare mai mică a rezistenței. O rezistență mai mare oferă un semnal mai mare și un raport semnal-zgomot (SNR) mai mare, în timp ce o rezistență mai mică minimizează atât autodisiparea rezistenței, cât și reducerea puterii de ieșire livrate.

Un bun punct de plecare este selectarea valorii rezistorului astfel încât tensiunea dezvoltată pe acesta să fie de 100 mV la curentul de sarcină maxim. De asemenea, circuitul de detecție va trebui să fie compatibil cu tensiuni de mod comun (CMV) ridicate. În cele mai multe cazuri, un circuit de detecție izolat este o necesitate din mai multe motive: integritatea semnalului detectat, protejarea restului circuitelor și siguranța utilizatorului.

Probleme de alimentare și de reglementare

Un amplificator de înaltă tensiune este mult mai mult decât o schemă și o listă de materiale, deoarece detaliile specifice ale dispunerii fizice devin critice. Pentru circuitele care funcționează la peste 60 V există probleme și standarde de siguranță în ceea ce privește implementarea (valoarea reală depinde de aplicația finală și de țară/regiune). Pentru aceste modele cu tensiune mai mare, utilizatorii trebuie să decidă cum să separe tensiunile mai mari de cele mai mici și mai sigure. Acest lucru poate implica unul sau mai multe mijloace mecanice, cum ar fi barierele, dispozitivele de blocare, izolarea sau spațierea.

În plus, configurația trebuie să respecte mandatele de reglementare privind valorile minime pentru linia de fugă și distanța de siguranță pentru componentele și traseele de pe placa de circuite, astfel încât să nu se producă arcuri electrice și conturnare. Aceste dimensiuni depind de tensiune și de mediul de funcționare anticipat (umiditate și praf comparativ cu un mediu curat și uscat). Ar putea fi util să se apeleze la un consultant expert în aceste domenii, deoarece standardele sunt complicate, cu multe subtilități, în timp ce procesul formal de aprobare necesită atât analize ale dispunerii proiectului, construcției, materialelor, dimensiunilor și materialelor, cât și un model de probă pentru testare.

În principiu, o sursă de alimentare c.a./c.c. sau c.c./c.c. de la tensiune joasă la înaltă este simplă și poate fi construită folosind un redresor cu undă completă (pentru c.a.) împreună cu un circuit multiplicator de tensiune compus din diode și condensatoare. Cu toate acestea, există multe probleme practice în proiectarea surselor de alimentare de înaltă tensiune, cum ar fi asigurarea unor valori nominale de tensiune adecvate pentru aceste dispozitive pasive.

Chiar și amplasarea sursei de alimentare este o problemă. În aplicațiile care au doar o alimentare de joasă tensiune (de ordinul zecilor de volți sau mai puțin), poate fi utilă trecerea firelor de tensiune mai mică către un multiplicator de tensiune blocat, situat în apropierea funcțiilor amplificatorului operațional de înaltă tensiune. Cu toate acestea, consumul de curent la o tensiune mai mică înseamnă o scădere suplimentară pentru curent-rezistență (IR) și o pierdere de putere I²R în aceste fire, ceea ce poate depăși avantajele separării. Cealaltă opțiune este de a trece firele de înaltă tensiune pe toată distanța, reducând astfel pierderile, dar adăugând constrângeri de siguranță și de reglementare.

Decizia de a construi sau decizia de a cumpăra

Indiferent de amplasare, cu excepția cazului în care echipa de proiectare are cunoștințe și experiență, de obicei este mai bine să cumpărați sursa de alimentare de înaltă tensiune decât să încercați să o proiectați și să o construiți. Există multe probleme legate de aceste surse, iar obținerea certificării este dificilă. O sursă de alimentare face mult mai mult decât să ia o tensiune de intrare și să o transforme în tensiunea de ieșire dorită:

• Trebuie să fie precisă și stabilă
• Trebuie să îndeplinească obiectivele de performanță la curenți de ondulație și tranzitorii
• Trebuie să încorporeze diverse funcții de protecție și de oprire
• Trebuie să îndeplinească standardele EMI
• De asemenea, este posibil să necesite izolare galvanică

Există multe surse de tensiune mai mare disponibile, de la modele de curent redus la cele care pot furniza câțiva amperi sau mai mult. De exemplu, FS02-15 de la divizia de înaltă tensiune EMCO de la XP Power este un modul de înaltă tensiune izolat, montat pe placa de circuite imprimate (Figura 12). Acesta măsoară 2,25 inch lungime × 1,1 inch lățime × 0,5 inch înălțime (57 milimetri (mm) × 28,5 mm × 12,7 mm), funcționează cu o sursă de alimentare de 15 volți c.c. și furnizează 200 V (±100 V) la 50 mA. Modulul îndeplinește toate cerințele de performanță și de reglementare, încorporând în același timp caracteristicile care sunt acum standard și așteptate la o sursă de alimentare completă.

Figura 12: sursele de alimentare din comerț, cum ar fi FS02-15 de la XP Power, care furnizează ±100 V la 50 mA de la o șină de alimentare de 12 volți, elimină problemele legate de proiectare și de reglementare asociate cu furnizarea în condiții de siguranță a unei alimentări izolate pentru amplificatoare operaționale de înaltă tensiune. (Sursa imaginii: XP Power)

Concluzie

Amplificatoarele operaționale de înaltă tensiune sunt o necesitate în multe sisteme electronice care cuprind instrumentație, medicină, fizică, traductoare piezoelectrice, diode laser și multe altele. În timp ce proiectanții pot utiliza amplificatoare operaționale compatibile cu aceste tensiuni, atributele și limitările acestora trebuie să fie clar înțelese, având în vedere implicațiile de performanță, termice, de reglementare și de siguranță ale funcționării lor la >100 de volți.