Учимся любить микросхемы высоковольтных операционных усилителей

Bill Schweber, Analog Devices

EDN

Когда в наши дни заходит речь об аналоговых схемах, обсуждаются, в основном, вопросы низкого энергопотребления и, следовательно, низкого напряжения питания. Конечно, это очень важно для операционных усилителей (ОУ), поскольку эти основные аналоговые строительные блоки часто служат буферами или усилителями для низковольтных сигналов датчиков, уровни которых не выходят за пределы 1 В.

Тем не менее, существует много силовых аналоговых схем, предназначенных для управления более высокими напряжениями. В некоторых случаях это необходимо для поддержки эффективной передачи энергии, поскольку более высокие напряжения требуют меньшего тока для данного уровня мощности и, таким образом, уменьшают падение напряжения IR и потери мощности I²R. Однако во многих приложениях необходимость использования высоковольтных усилителей диктуется вовсе не соображениями энергоэффективности, вытекающими из законов физики, а потребностью в высоком напряжении как таковом, даже если токи совсем слабые или умеренные. Среди таких приложений – широко используемые пьезоэлектрические преобразователи для ультразвуковых систем, прецизионные пьезоэлектрические позиционеры нанометрового диапазона, лавинные фотодиоды в лидарах, источники смещения однофотонных лавинных диодов и оборудование автоматического контроля полупроводников.

Рисунок 1.	В этой базовой схеме для увеличения размаха выходного сигнала низковольтного операционного усилителя используется пара комплементарных дискретных транзисторов.

Не так давно адаптировать операционный усилитель для работы с напряжениями 50 В и выше было достаточно сложно. Для этого обычно начинали со стандартного операционного усилителя с напряжением питания от 15 до 24 В, а затем увеличивали размах его выходного сигнала с помощью дискретных транзисторов. В принципе, с комплементарными PNP и NPN устройствами это может показаться несложным (Рисунок 1). Однако добиться симметрии характеристик было трудно, и для более совершенной схемы требовалось существенно большее количество пассивных компонентов (Рисунок 2).

Рисунок 2.	Усовершенствованная схема увеличения размаха выходного сигнала требует существенно большего количества компонентов, чтобы гарантировать симметрию и линейность характеристик во всем диапазоне выходных напряжений.

Полное определение характеристик при всех нагрузках и изменениях других условий занимало много времени и требовало анализа, учитывающего неизбежный разброс параметров этих добавленных компонентов. Выпускались также гибридные устройства, эффективные для работы при более высоких напряжениях, в которых использовался операционный усилитель со всеми необходимыми сопутствующими компонентами. Прибор в небольшом корпусе электрически выглядел как операционный усилитель, но был рассчитан на более высокое напряжение, а также имел защиту от перегрузки и перегрева.

К счастью, в последние несколько лет поставщики микросхем активно работали над преодолением технологических трудностей, которые ограничивали рабочие режимы аналоговых компонентов низкими напряжениями. Например, выпускаемый Texas Instruments высоковольтный сильноточный операционный усилитель OPA462 может работать при напряжении питания от ±6 В (12 В) до ±90 В (180 В), отдавая в нагрузку максимальный ток 45 мА, и имеет произведение полосы пропускания на коэффициент усиления 6.5 МГц и скорость нарастания 32 В/мкс (Рисунок 3). Миниатюрные размеры корпуса впечатляют: они составляют всего около 5 мм × 4 мм (плюс внешние выводы).

Рисунок 3.	Операционный усилитель OPA462 компании Texas Instruments может обеспечить размах выходного сигнала ±90 В при типовом токе нагрузки 30 мА.

Texas Instruments – не единственная компания, которая недавно начала заниматься производством таких высоковольтных операционных усилителей. У Analog Devices есть высоковольтный прецизионный ОУ ADHV4702, допускающий симметричное или несимметричное питание напряжениями от 24 В до 220 В (Рисунок 4). Типовая скорость нарастания этого ОУ составляет 74 В/мкс, а малосигнальная полоса пропускания равна 10 МГц. 12-выводное устройство имеет размеры всего 7 мм × 7 мм, однако при этом расстояния между выводами соответствуют предписаниям стандарта IEC 61010-1 «Безопасность электрических контрольно-измерительных приборов и лабораторного оборудования. Часть 1 – Общие требования» [2, 3].

Рисунок 4.	220-вольтовое устройство ADHV4702-1 компании Analog Devices может использовать симметричный или несимметричный источник питания.

К сожалению, даже в учебных программах для радиоинженеров почти не нашлось места для обсуждения или практического изучения этих высоковольтных операционных усилителей или связанных с ними проектных ситуаций. Я знаю, что объемы материала, который нужно охватить студентам преподавателям, очень велики, и легко, сидя здесь за клавиатурой, провозглашать, что то-то и то-то должно быть добавлено к учебной программе, когда в сутках всего 24 часа. Тем не менее, их использование имеет свои тонкости, такие как необходимость в охранном кольце вокруг неинвертирующего входа, которое для минимизации утечек из соседних выводов должно иметь общий с входом потенциал.

И все же, почему эти схемы обойдены вниманием? Может быть, причина в том, что высоковольтные аналоговые схемы рассматривается как подраздел в подразделе, и студентам важнее сосредоточиться на основах операционных усилителей? Или дело в том, что работа в лаборатории с высокими напряжениями сопряжена с реальным риском, даже если студенческие лаборатории не обязаны придерживаться требований по длинам путей утечки, которым должны удовлетворять продукты, предлагаемые для коммерческой продажи [4, 5]?

1. Datasheet Analog Devices AD820AR
2. Datasheet Analog Devices LT1055
3. Datasheet Texas Instruments OPA462
4. Datasheet Analog Devices ADHV4702-1