česky english Vítejte, dnes je pondělí 15. červenec 2024

Monolitické operační zesilovače

DPS 6/2014 | Články
Autor: Michael B. Anderson

Monolitické operační zesilovače pracují od ±4,75 V d o ±70 V a nabízejí nízký vstupní proud i výstup typu Rail-to-Rail

Monolitické operační zesilovače byly veřejnosti poprvé představeny kolem roku 1960. Dnes se jedná prakticky o všudypřítomný prvek, který zajišťuje stabilní zlepšení výkonu. Precizní monolitické operační zesilovače LTC6090 rozšiřují napájecí napětí až na ±70 V, čímž učinily velký technologický krok kupředu, anižby přitom byly ohroženy základní funkce obvodu, které jsou od těchto precizních operačních zesilovačů očekávány. Obvody LTC6090 jsou k dispozici v malém 8pinovém SO provedení a pouzdře TSSOP-16. Obě provedení mají exponované kovové podložky ke snížení tepelného odporu, čímž eliminují potřebu použití externího chladiče. Jednoduchér ozhraní pro spojení s obvody nízkého řídicího napětí a integrované tepelné bezpečnostní prvky zjednodušují návrh analogových vysokonapěťových obvodů.

Vysoké napětí i velký výkon

Typické operační zesilovače pracují s nízkým vstupním proudem, nízkým offsetem a nízkou úrovní vyzařování. LTC6090 samozřejměne jsou výjimkou. Obvody jsou navrženy se vstupem typu MOS, díky čemuž je klidový vstupní proud pouhé 3 pA(typ) při teplotě 25 °C, případně méně než 100 pA při teplotě 85 °C. Díky tomu jsou vhodné i pro aplikace pracující s vysokou impedancí, jako jsou například vstupní zesilovače fotodiod znázorněné na obr. 1. Rovněž hodnota vstupního offsetu je velmi nízká, typicky se pohybuje pod úrovní1,6 mV se šumem 11 nV/odmoc při 10 kHz. Napájecí napětí se může pohybovat v rozmezí od symetrických 3 V až po nesymetrických 140 V.

Obr1

Obr. 1 Rozšířený dynamický rozsah 1M transimpedančního fotodiodového zesilovače

Na výstupní straně precizního operačního zesilovače se naopak očekává udržení přesnosti při řízení připojené zátěže. Opět platí, že ani zde obvody LTC6090 nezklamou. Schopnost udržení stabilního výstupu s jednotkovým zesílením je možná díky 10MHz GBW Rail-to-Rail výstupu s rychlou změnou stavu schopném řídit až ±10 mA při kapacitní zátěži až 200 pF. Ukázkový obvod znázorněný na obr. 2 produkuje sinusový signál 140 VP–P 10 kHz. Na obr. 3 je pak dobře vidět závislost napětí na výstupním proudu. Velmi nízká úroveň zkreslení výstupního signálu při napětí 100 VP–P až do8 kHz je na obr. 4.

Obr2

Obr. 2 10kHz sinusový průběh 140 VP–P výstupního napětí LTC6090

Obr3

Obr. 3 Závislost výstupního napětí na výstupním proudu LTC6090

 

Obr4

Obr. 4 Celkové harmonické zkreslení a šum vs. frekvence LTC6090

Aplikace s vysokou impedancí vyžadují nízký z trátový proud

Nízký vstupní klidový proud LTC6090 je výhodou pro aplikace s vysokou impedancí, které zároveň vyžadují vysoké napětí. Jak je znázorněno na obr. 5, vstupní klidový proud logaritmicky závisí na teplotě tak, že při každém zvýšení o 10 °C dojde k jeho zdvojnásobení. Navíc integrovaná ochrana vstupních pinů reaguje na úroveň vstupního napětí vůči pinu V–. Na obr. 5 se úroveň vstupního napětí pohybuje v blízkosti poloviny napájecího napětí.

Obr5

Obr. 5 Vstupní klidový proud LTC6090 v závislosti na teplotě čipu

V zájmu zachování skutečně nízkého vstupního klidového proudu je však nutné dbát na vhodné rozložení DPS. Ve výjimečných případech může být dokonce nutné použití desky ze speciálního materiálu s nízkými parazitními proudy. V kritických aplikacích je nutné zvážit rovněž použití izolačních bloků. Pouzdro TSSOP na své spodní straně obsahuje zemní tepelnou plošku, která může být použita k ochraně vstupních pinů v rámci svodových proudů. Příklad uspořádání DPS v případě invertujícího zesilovače je znázorněn na obr. 6. Všimněte si, že nepájivá maska musí být nad ochrannou oblastí odstraněna tak, aby zde byl pouze holý kov. Z toho důvodu je tedy důležité, aby byla DPS maximálně čistá a bez zbytečné vlhkosti. Při mytí s rozpouštědlem a následném oplachování zde nesmí zůstat žádný zbytek vody a přebytečná vlhkost musí být odstraněna sušením. Při praktických pokusech však bylo zjištěno, že důkladné umytí desky pomocí mýdla a obyčejné vody z kohoutku (tedy bez chemických rozpouštědel) je rovněž zárukou velmi dobrých výsledků.

Obr6

Obr. 6 Příklad oddělení vstupu na DPS

Propojení vstupních obvodů nízkého napětí s vysokonapěťovým operačním zesilovačem

Vstupní řídicí piny LTC6090 lze propojit jak s obvody nízkého či záporného napětí, tak i s obvody 5 V pod úrovní kladného napájecího napětí. Pin COM zde funguje jako společné rozhraní pro nízké řídicí napětí a může být propojen jak se zemí obvodů nízkého napětí, tak i plovoucího vstupu. Piny zakázání výstupu OD (output disable) a přehřátí TFLAG jsou v tom případě odkazovány na společnou zem vstupních obvodů. Uvedené piny, tedy COM, OD a TFLAG, jsou uvnitř chráněny pomocí diod a odporů, jak je znázorněno na obr. 7. Zůstane-li pin COM plovoucí, bude interně udržován na polovině napájecího napětí. Naopak pin OD bude pomocí interního pull-up rezistoru držen na klidové hodnotě zhruba 21 V (při napájecím napětí ±70 V).

Obr7

Obr. 7 Uspořádání pinů nízkého napětí pro funkci automatického vypnutí výstupního budiče v okamžiku, kdy teplota čipu dosáhne 145 °C

Tepelná ochrana: použití pinů /OD a /TFLAG

Při napájecím napětí 140 V a typickém klidovém proudu 2,7 mA se klidový příkon obvodu LTC6090 pohybuje kolem 378 mW. Pokud k tomu přičteme i případnou výstupní zátěž, může vlastní příkon obvodu přesáhnout i 1 W, takže kvalitní odvod tepla a dobrá tepelná konstrukce je zde podmínkou. Obě dostupná pouzdra, SO a SOIC, mají na své spodní straně odkrytou kovovou plochu, která je interně propojena k pinu záporného napájecího napětí V– a k tomuto potenciálu musí být připojena i na DPS. Propojení pinu na DPS je praktické i z důvodu odvodu přebytečného tepla, který je přímo úměrný velikosti kovu přidaného na uvedený pin. V ideálním případě můžeme dosáhnout hodnoty tepelného odporu pouzdra θJA= 33 °C/W. To znamená,že při 1 W přebytečné energie stoupne teplota polovodičového čipu o 33 °C nad teplotu okolního prostředí.

Důležitým prvkem obvodu LTC6090 je integrovaná tepelná ochrana, která může zajistit odpojení výstupního pinu v okamžiku, kdy se teplota čipu přiblíží k hodnotě150 °C. K tomu stačí pouze propojit pin indikující přehřátí s pinem zakázání výstupu. Indikace přehřátí, pin TFLAG, je typu otevřený kolektor, který je vztažen k nízké úrovni v okamžiku, kdy teplota čipu dosáhne hranice 145 °C. Integrovaná hysterezní smyčka je výrobcem pevně nastavena na hodnotu 5 °C, což znamená, že k uvolnění pinu TFLAG dojde při poklesu teploty pod úroveň 140 °C. Rovněž tak pin odpojení výstupu, pin OD, je aktivní při nízké úrovni (vzhledem k pinu COM) a při jeho aktivaci dojde k odpojení celého výkonového stupně a snížení klidového proudu na 670 μA. Jsou-li tyto dva piny spojeny, je obvod LTC6090 automaticky vypnut v okamžiku, kdy teplota na jeho čipu dosáhne hodnoty 145 °C. Pokud v aplikaci tyto piny nevyužijeme, mohou na desce zůstat nezapojené.

Dalším tepelným bezpečnostním prvkem je pevně nastavená tepelná pojistka, která koncový stupeň obvodu automaticky vypne při dosažení hodnoty přibližně 175 °C. Její hysterezní smyčka je nastavena na 7 °C a umožňuje opětovnou aktivaci koncového stupně přibližně při poklesu na teplotu 168 °C, jak je uvedeno na obr. 8. Všimněte si, že na obr. 8 je uvedena teplota polovodičového přechodu. Tato ochrana má zabránit poškození obvodu a okolních součástek od selhání v důsledku přehřátí. Provoz obvodu LTC6090 nad jeho absolutní maximální teplotou čipu, tedy 150 °C, může však snížit jeho spolehlivost a zkrátit životnost.

Obr8

Obr. 8 Hysterezní smyčka tepelné ochrany LTC6090

Závěr

LTC6090 nabízí vlastnosti precizních operačních zesilovačů pro nízké napětí, ale se schopností provozu v aplikacích s napájecím napětím až ±70 V. Mezi klíčové parametry patří vysoký zisk, nízké vstupní klidové proudy, nízký offset a nízký šum precizního koncového stupně. Rail-to-Rail výstup může řídit zátěž s kapacitou 200 pF při proudu ±10 mA, což z obvodu tvoří ideální prvek pro precizní aplikace s vysokým napětím, jakými jsou například zesilovače pracující s vysokou impedancí. Piny pro zakázání výstupu a funkci tepelné ochrany jsou jednoduše propojitelné a zjednodušují implementaci automatické ochranné funkce v cílové aplikaci. Malé 8pinové pouzdro SO i 16pinové pouzdro TSSOP na spodní straně obsahují kovovou plochu pro snížení tepelného odporu, čímž eliminují potřebu použití chladiče.