Меню

Высоковольтный усилитель постоянного тока



Высоковольтный усилитель на одной КМОП микросхеме для прецизионных измерений в высокоимпедансных схемах

Linear Technology LTC6090 LT5400 LT6654 LT8300 CMHZ4697

Jon Munson, Linear Technology

Design Note 513

Введение

Для точного измерения напряжений необходимо сводить к минимуму влияние щупов, которыми приборы подключаются к проверяемой схеме. Для минимизации нагрузки на измеряемые схемы во входных цепях типичных цифровых вольтметров используются резисторы порядка 10 МОм, но даже они могут стать источником значительной ошибки, особенно в более высоковольтных схемах с высокоомными резисторами.

Решением проблемы может быть использование высокоимпедансных усилителей в электрометрической конфигурации, забирающих из измеряемого узла самый ничтожный ток. Чтобы сделать значение входного тока низким, насколько это возможно, во входных цепях таких схем традиционно применяют полевые (МОП) транзисторы. Как правило, МОП-транзисторы – это низковольтные устройства, которые, кроме того, являются источниками неопределенного и трудноустранимого смещения. Существуют монолитные усилители с входами на МОП-транзисторах, но чаще всего это очень низковольтные устройства, особенно те, которые изготавливаются по стандартной КМОП технологии, поэтому возможности их использования в высоковольтных приложениях ограниченны. Для решения этой проблемы идеально подходит КМОП усилитель LTCR6090, способный обрабатывать сигналы размахом более 140 В с точностью, выражаемой долями милливольта.

Простое решение проблем высоковольтных измерений с помощью LTC6090

В микросхеме LTC6090 сочетается уникальный набор характеристик. Ее КМОП структура обеспечивает максимально высокое входное сопротивление и «rail-to-rail» размах выходного напряжения, но в отличие от обычных КМОП схем, питающихся от напряжения 5 В, LTC6090 может работать при напряжении до ±70 В. Устройство прекрасно работает и в малосигнальном режиме, демонстрируя впечатляющий динамический диапазон при типовом напряжении смещения 500 мкВ и плотности напряжения шумов 11 нВ/√Гц. С учетом значительной мощности, которая может рассеиваться при высоких рабочих напряжениях, микросхемы выпускаются в корпусах SOIC или TSSOP со сниженным тепловым сопротивлением. LTC6090 имеет флаг перегрева и управляющий вывод запрета выхода, обеспечивающие микросхему гибкими средствами защиты без дополнительных внешних компонентов.

Точный источник опорного напряжения 50.00 В

При однополярном питании LTC6090 поддерживает выходные уровни до 140 В, и, имея точную резисторную сборку, усилить напряжение опорного источника 5 В не составит труда. Матрица прецизионных резисторов LT5400 рассчитана на рабочие напряжения до 80 В, поэтому использование ее варианта с соотношением сопротивлений 10:1 является простейшим способом создания эталонного источника, не требующего никаких дополнительных подстроек. На Рисунке 1 приведена схема, усиливающая 5.000 В источника опорного напряжения LT6654A до значения 50.00 В с точностью лучше 0.1%. Схема может питаться напряжением от 55 В до 140 В, поэтому изображенный на Рисунке 2 источник 65 В подойдет для нее наилучшим образом.

Рисунок 1. Прецизионный высоковольтный источник опорного напряжения.

При выходной емкости 1 мкФ LTC6090 имеет отличную реакцию на скачок нагрузки. Конденсатор изолирован от выхода сопротивлением, с которым он образует шумоподавляющий фильтр для частот выше 700 Гц. Прецизионная матрица LT5400A-3 состоит из резисторов 10 кОм/100 кОм, согласованных с точностью 0.01% и позволяющих задать коэффициент усиления с исключительно высокой точностью благодаря отсутствию нагрузки со стороны высокоимпедансных входов КМОП операционного усилителя. Вклад входного напряжения смещения в общую ошибку составляет менее 0.03%, а источник опорного напряжения LT6654A добавляет менее 0.05%. Изображенная на Рисунке 1 схема при собственном токе потребления около 4 мА может отдавать в нагрузку 10 мА.

Простой буфер для больших сигналов

LTC6090 ведет себя как обычный операционный усилитель, скорректированный до коэффициента усиления, равного единице, так что создание буферного каскада электрометрического класса сводится просто к тому, чтобы обеспечить стопроцентную обратную связь в классической схеме с единичным усилением. Для этого не требуются ни дискретные МОП транзисторы, ни плавающие источники питания.

Рисунок 2. Активный щуп для цифрового вольтметра.

Как показано на Рисунке 2, микросхему LTC6090 можно легко подключить к расщепленному источнику питания, такому, например, как обратноходовой преобразователь напряжения батареи. Это простая схема может обеспечить прецизионное измерение напряжений в высокоомных схемах и с высокой точностью пропускать сигналы, пиковые уровни которых лишь на 3 В не доходят до обеих шин питания (в нашем случае это ±62 В). При типовом входном токе утечки менее 5 пА нагрузка на схему совершенно несущественна даже для импедансов источника, приближающихся к гигаому. Полезная полоса частот, в которой не происходит спада амплитуды большого сигнала, превышает 20 кГц.

Заключение

LTC6090 – уникальный и универсальный высоковольтный КМОП усилитель, упрощающий создание решений с высоким входным импедансом, большим размахом сигнала и очень широким динамическим диапазоном усиления.

Материалы по теме

  1. Datasheet Linear Technology LTC6090
  2. Datasheet Linear Technology LT5400
  3. Datasheet Linear Technology LT6654
  4. Datasheet Linear Technology LT8300
  5. Datasheet Central Semiconductor CMHZ4697
Читайте также:  Найти мгновенное значение входного тока

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник

Мощные и высоковольтные операционные усилители Texas Instruments

Высоковольтные усилители мощности Texas Instruments используются в приложениях с напряжением питания до 100 В и выходным током до 10 А. Большинство усилителей этого класса оснащены внутренней защитой от перегрева и превышения максимально допустимого тока. В некоторых усилителях мощности у разработчика есть возможность задания тока срабатывания защиты при перегрузке. Усилители мощности подразумевают подходящие типы корпусов и размер соответствующего теплоотвода. Некоторые усилители Texas Instruments выпускаются в запатентованном термоустойчивом корпусе PowerPAD.

При работе необходимо обеспечить режимы, не выходящие за пределы области безопасной работы (ОБР). Эти графики приводятся в документации производителя (datasheets) для каждого усилителя. Благодаря встроенному датчику температуры и внутренней схемы отключения при перегреве происходит автоматическое отключение усилителей при достижении температуры выше определенного значения. Усилители OPA547, OPA548, OPA549 и OPA454 не требуют подключения мощных резисторов, используемых в качестве датчиков тока. Схема защиты полностью реализована внутри этих микросхем и позволяет управлять ограничением тока практически от нуля до максимально допустимого значения при помощи маломощного резистора или управляющего напряжения в усилителе OPA569.

Для дополнительной надежности внешняя металлическая площадка корпуса PowerPAD изолирована от кристалла, что исключает появление напряжения на теплоотводящей поверхности.

На основе усилителя OPA454 можно легко сделать высоковольтный управляемый источник напряжения с максимальным выходным напряжением более 90 В (рис. 1). Управление высоковольтным усилителем производится с помощью цифро–аналогового преобразователя с выходным током от 0 до 2 мА. Защитные диоды на входах исключают перегрузку усилителя при возникновении недопустимого напряжения на входах.

Рис. 1. Высоковольтный программируемый источник напряжения

На рис. 2 показана мостовая схема с удвоением выходного напряжения. На пьезокристалл подается выходное напряжение с амплитудой до 195 В. Схема усилителя состоит из ведущего (master) усилителя А1 и ведомого (slave) усилителя А2. Ведомый усилитель играет роль инвертора, поэтому напряжение к выводам пьезокристалла прикладывается в противофазе, благодаря чему и происходит удвоение напряжения в мостовом усилителе.

Рис. 2. Мостовая схема усилителя для удвоения выходного напряжения

На рис. 3, 4 приведены варианты схем для увеличения выходного тока. При параллельном включении усилителей (рис. 3) верхний усилитель является ведущим, а нижний — ведомым с единичным усилением. Другой вариант схемы для увеличения выходного тока — подключение на выходе пары комплементарных биполярных транзисторов. С транзисторами, указанными на рис. 4, обеспечивается максимальный выходной ток до 1 А.

Рис. 3. Параллельное включение усилителей OPA454 для увеличения выходного тока

Рис. 4. Увеличение выходного тока до 1 А с помощью внешней пары комплементарных транзисторов

На рис. 5 приведена схема высоковольтного инструментального усилителя. Такой усилитель может быть необходим для получения очень широкого динамического диапазона выходных напряжений. Если на вход такого усилителя подать сигнал с относительно низковольтного малошумящего усилителя с дифференциальным выходом с напряжением питания ±15 В (или даже с меньшими напряжениями питания), то получится высокочувствительный усилитель с расширенным динамическим диапазоном.

Рис. 5. Высоковольтный инструментальный усилитель на основе OPA454

Довольно часто необходимо реализовать защиту от перегрузки, отключая усилитель при достижении недопустимого значения тока через шунт. Особенно трудно реализовать такой тип защиты для верхнего плеча усилителя из–за высоких напряжений на шунте относительно общего провода. На рис. 6 показана схема, позволяющая определить ток через шунт даже при отрицательном напряжении на входе высоковольтного измерительного усилителя, собранного на OPA454. Зависимость выходного напряжения от сопротивления резисторов и тока через шунт рассчитывается по формуле, приведенной на рис. 6. Добавив на выходе компаратор или АЦП, можно регистрировать момент превышения тока и подавать команду на отключение силового прибора.

Рис. 6. Измеритель тока через шунт в верхнем плече на основе OPA454

На рис. 7а приведена схема неинвертирующего усилителя с размахом выходного напряжения 195 В при питании от двуполярного источника с выходными напряжениями ±100 В с коэффициентом усиления +20. Допустимое напряжение питания для одного ОУ OPA454 составляет «всего» 100 В. Схема из трех ОУ OPA454 (рис. 7а) позволяет практически вдвое увеличить размах выходного напряжения, при этом напряжение питания на каждом ОУ не превышает допустимое значение 100 В. На рис. 7б приведена аналогичная схема инвертирующего усилителя с размахом выходного напряжения 195 В. В нижней части рис. 7 приведены временные диаграммы работы схем для частоты 20 кГц. Обратите внимание, что скорость нарастания такого усилителя составляет 18 В/мкс на нагрузке 3,75 кОм и превышает типовое значение этого параметра, приведенное в документации производителя, — 13 В/мкс для напряжения питания не более 100 В.

Рис. 7. Высоковольтный усилитель из трех ОУ с размахом выходного напряжения 195 В при напряжении питания (+/-)100 В и скоростью нарастания выходного напряжения 18 В/мкс

На рис. 8 приведена схема мостового усилителя на шести ОУ OPA454 с напряжением питания ±100 В и размахом выходного напряжения 390 В. Схема собрана из инвертирующего и неинвертирующего усилителей, которые показаны на рис. 7. Временные диаграммы работы этого усилителя при входной частоте 20 кГц на нагрузке 7,5 кОм показаны в нижней части рис. 8. Скорость нарастания выходного напряжения у этого усилителя составляет уже 34 В/мкс (сравните с типовым значением этого параметра — 13 В/мкс — при обычном включении OPA454 с напряжением питания не более 100 В).

Читайте также:  Регулировка тока для зарядного устройства своими руками

Рис. 8. Мостовой высоковольтный усилитель с размахом выходного напряжения 390 В при напряжении питания (+/-)100 В и скоростью нарастания 34 В/мкс

На рис. 9 приведены амплитудно–частотная и фазо–частотная характеристики OPA454, а также зависимость размаха выходного напряжения от частоты. Эти графики необходимы для правильного выбора коэффициента усиления, обеспечивающего требуемую полосу пропускания. На нижних графиках рис. 9 показаны нелинейные искажения вместе с шумовыми параметрами для разных коэффициентов усиления. При единичном усилении вносимые искажения меньше. Однако главное в этих графиках — зависимость искажений с ростом частоты. В диапазоне звуковых частот (до 20 кГц) суммарные нелинейные искажения вместе с шумом не превышают 0,026% для единичного усиления и 0,037% — для коэффициента усиления G = +10.

Рис. 9. АЧХ, ФЧХ, частотные зависимости размаха выходного напряжения, гармонических искажений и шума при разных коэффициентах усиления для OPA454

Низковольтные ОУ с высоким выходным током

Наибольшей популярностью пользуются усилители OPA567 и OPA569 с выходным током 2,4 А, Rail–to–Rail входом/выходом и рабочим диапазоном температур −55…125 °С. Для обеспечения таких высоких характеристик при жестких условиях эксплуатации OPA569 выполнен в корпусе SO–20 PowerPAD, а OPA567 — в корпусе QFN–12. Особенность этих мощных усилителей — возможность задания разработчиком необходимого уровня ограничения выходного тока в диапазоне 0,2–2,2 А. Ток срабатывания можно задавать постоянным резистором или потенциометром, а также регулировать управляющим напряжением. Все эти варианты представлены на рис. 10.

Рис. 10. Варианты задания ограничения максимального тока для OPA569

Большинство мощных и высоковольтных ОУ Texas Instruments предназначены для работы в жестких условиях эксплуатации от −40 или даже от −55 °С. Остается только пожелать читателю, чтобы он всегда мог найти нужные усилители для разрабатываемых новых устройств и результаты их использования всегда превосходили рассчитанные и ожидаемые параметры.

Источник

Усилители постоянного тока: принцип работы и устройство

рис. 2.35

Усилитель называют усилителем постоянного тока (УПТ), если он может усиливать постоянные и медленно изменяющиеся сигналы. Такой усилитель может использоваться и для усиления переменных сигналов.

Выше рассмотрены операционные усилители, являющиеся усилителями постоянного тока. Но внутреннее устройство операционных усилителей не рассматривалось.

Васильев Дмитрий Петрович

Полученные переменные сигналы могут быть усилены с помощью усилителей переменного тока, в которых гальванические связи разорваны с помощью конденсаторов или трансформаторов.

После усиления переменные сигналы должны быть преобразованы в постоянные или медленно изменяющиеся.

При построении УПТ с использованием гальванической связи между каскадами получают УПТ, которому присуще такое вредное явление, как дрейф нуля. Под дрейфом нуля понимают самопроизвольное изменение выходного напряжения при неизменном нулевом входном. Основными причинами дрейфа нуля усилителя являются:

  • изменение параметров элементов схемы, прежде всего транзисторов, за счет изменения температуры окружающей среды;
  • изменение питающих напряжений;
  • постоянное изменение параметров активных и пассивных элементов схемы, вызванное их старением.

Сигнал дрейфа нуля может быть соизмерим с полезным сигналом, поэтому при построении УПТ принимают меры по снижению дрейфа нуля.

Основными мерами снижения дрейфа являются:

  • жесткая стабилизация источников питания усилителей;
  • использование отрицательных обратных связей;
  • применение балансных компенсационных схем УПТ;
  • использование элементов с нелинейной зависимостью параметров от температуры для компенсации температурного дрейфа;
  • применение УПТ с промежуточным преобразованием и др.

Важным вопросом при построении УПТ является также согласование потенциалов соседних каскадов, согласование источника входного сигнала с УПТ, а также подключение нагрузки к УПТ таким образом, чтобы при нулевом входном напряжении, напряжение на нагрузке было также равно нулю.

Поэтому простейшие УПТ, состоящие из нескольких каскадов, включенных последовательно и соединенных гальванической (непосредственной) связью, даже при условии согласования потенциалов обладают рядом недостатков, главным из которых является дрейф нуля.

рис. 2.35

Таким образом, для устранения отмеченных выше недостатков УПТ строят в виде параллельно-балансных каскадов, представляющих собой сбалансированный мост, в одно плечо которого включена нагрузка, а в другое — источник питания. Схема такого УПТ приведена на рис. 2.35.

Коллекторные сопротивления RK1 и RK2, транзисторы Т1 и Т2, резистор Rэ образуют мост, к одной диагонали которого подключен источник питания ЕK, а в другую диагональ — между коллекторами транзисторов — включается нагрузка.

Источник

Усилители постоянного тока — назначение, виды, схемы и принцип действия

Усилители постоянного тока, как может показаться из названия, сами по себе ток не усиливают, то есть они не генерируют никакой дополнительной мощности. Данные электронные устройства служат для управления электрическими колебаниями в определенном диапазоне частот начиная с 0 Гц. Но посмотрев на форму сигналов на входе и выходе усилителя постоянного тока, можно однозначно сказать — на выходе имеется усиленный входной сигнал, однако источники энергии для входного и выходного сигналов — индивидуальные.

Читайте также:  Теплота выделяемая в цепи переменного тока

По принципу действия усилители постоянного тока подразделяются на усилители прямого усиления и усилители с преобразованием.

Усилители постоянного тока с преобразованием преобразуют ток постоянный — в переменный, затем он усиливается и выпрямляется. Это называется усилением сигнала с модуляцией и демодуляцией — МДМ.

Транзисторы

Схемы усилителей прямого усиления не содержат реактивных элементов, таких как катушки индуктивности и конденсаторы, сопротивление которых зависит от частоты. Вместо этого существует непосредственная гальваническая связь выхода (коллектора или анода) усилительного элемента одного каскада с входом (базой или сеткой) очередного каскада. По этой причине усилитель прямого усиления способен пропускать (усиливать) даже постоянный ток. Такие схемы популярны и в акустике.

Усилитель постоянного тока в акустике

Однако непосредственная гальваническая связь хотя и передает очень точно между каскадами перепады напряжения и медленные изменения тока, такое решение сопряжено с нестабильностью работы усилителя, с затруднением установления режима работы усилительного элемента.

Когда напряжение источников питания немного изменяется, или изменяется режим работы усилительных элементов, либо немного плывут их параметры, — тут же наблюдаются медленные изменения токов в схеме, которые по гальванически связанным цепям попадают во входной сигнал и соответствующим образом искажают форму сигнала на выходе. Зачастую эти паразитные изменения на выходе схожи по размаху с рабочими изменениями, вызываемыми нормальным входным сигналом.

Дрейф нуля

Искажения выходного напряжения могут быть вызваны различными факторами. Прежде всего — внутренними процессами в элементах схемы. Нестабильное напряжение источников питания, нестабильные параметры пассивных и активных элементов схемы, особенно под действием перепадов температуры и т. д. Они могут быть вовсе не связаны с входным напряжением.

Изменения выходного напряжения вызванные данными факторами именуют дрейфом нуля усилителя. Максимальное изменение выходного напряжения в отсутствие входного сигнала усилителя (когда вход замкнут) за определенный временной промежуток, называется абсолютным дрейфом.

Напряжение дрейфа, приведенное ко входу равно отношению абсолютного дрейфа к коэффициенту усиления данного усилителя. Это напряжение определяет чувствительность усилителя, так как вносит ограничение в минимально различимый входной сигнал.

Чтобы усилитель работал нормально, напряжение дрейфа не должно быть больше заранее определенного минимального напряжения усиливаемого сигнала, который подается на его вход. В случае если дрейф выхода окажется того же порядка или будет превышать входной сигнал, искажения превысят допустимую норму для усилителя, и его рабочая точка окажется смещенной за пределы адекватной рабочей области характеристик усилителя («дрейф нуля»).

Для снижения дрейфа нуля прибегают к следующим приемам. Во-первых, все источники напряжения и тока, питающие каскады усилителя, делают стабилизированными. Во-вторых, используют глубокую отрицательную обратную связь. В-третьих, применяют схемы компенсации температурного дрейфа путем добавления нелинейных элементов, чьи параметры зависят от температуры. В-четвертых, используют балансирующие мостовые схемы. И наконец, постоянный ток преобразуют в переменный и затем усиливают переменный ток и выпрямляют.

При создании схемы усилителя постоянного тока очень важно согласовать потенциалы на входе усилителя, в точках сопряжения его каскадов, а также на нагрузочном выходе. Также необходимо обеспечить стабильность работы каскадов при различных режимах и даже в условиях плавающих параметров схемы.

Схема прямого усиления

Усилители постоянного тока бывают однотактными и двухтактными. Однотактные схемы прямого усиления предполагают непосредственную подачу выходного сигнала с одного элемента — на вход следующего. На вход следующего транзистора вместе с выходным сигналом от первого элемента (транзистора) подается коллекторное напряжение первого.

Тут должны быть согласованы потенциалы коллектора первого и базы второго транзистора, для чего коллекторное напряжение первого транзистора компенсируют при помощи резистора. Резистор добавляют также в цепь эмиттера второго транзистора, чтобы сместить его напряжение база-эмиттер. Потенциалы на коллекторах транзисторов следующих каскадов также должны быть высокими, что тоже достигается применением согласующих резисторов.

Параллельный балансный каскад

В двухтактном параллельном балансном каскаде резисторы коллекторных цепей и внутренние сопротивления транзисторов образуют собой четырехплечевой мост, на одну из диагоналей которого (между цепями коллектор-эмиттер) подается напряжение питания, а к другой (между коллекторами) — присоединяется нагрузка. Сигнал который требуется усилить прикладывается к базам двух транзисторов.

При равенстве коллекторных резисторов и полностью одинаковых транзисторах, разность потенциалов между коллекторами, в отсутствие входного сигнала, равна нулю. Если входной сигнал не равен нулю, то на коллекторах будут приращения потенциалов равные по модулю, но противоположные по знаку. На нагрузке между коллекторами появится переменный ток по форме повторяющий входной сигнал, но большей амплитуды.

Такие каскады часто применяются в качестве первичных каскадов многокаскадных усилителей либо в качестве выходных каскадов для получения симметричного напряжения и тока. Достоинство данных решений в том, что влияние температуры на оба плеча одинаково изменяет их характеристики и напряжение на выходе не плывет.

Источник