Cómo resolver los desafíos análogos del suministro de alto voltaje con un enfoque de arranque

Es un desafío único suministrar los cientos de voltios análogos que requieren el equipo de prueba automático o los sistemas de control de precisión. Los amplificadores operacionales convencionales no pueden servir a las oscilaciones del voltaje de salida, mientras que las alternativas de amplificadores requieren una modificación de alto grado y consumir estado real menor de la placa de CI.

Sin embargo, hay otra opción: arrancar la comunicación de un amplificador operacional de salida riel a riel de alto voltaje y un par de FET que pueden sostener altos voltajes de ruptura.

Este artículo describirá los problemas que presentan los voltajes análogos altos y las maneras más comunes de resolverlos. Luego mostrará cómo usar un enfoque de arranque usando un amplificador de precisión de alto voltaje de Analog Devices, junto con MOSFET de alto voltaje de Microchip Technology e Infineon Technologies.

Estos se usarán para crear una solución de alto rendimiento de precisión que proporcione el doble del rango de señal nominal del amplificador y, al mismo tiempo, proporcione un rendimiento mayor con un estado real mínimo de la placa.

Opciones de diseño para altos voltajes análogos

Algunas aplicaciones requieren oscilaciones de voltaje de salida mayores que los que los típicos amplificadores operacionales monolíticos de alto voltaje pueden generar. Una manera de alcanzar las oscilaciones amplias de voltaje es utilizar un diseño de amplificador con transistores discretos. Este enfoque de diseño tiene la flexibilidad de poder personalizar el amplificador para la aplicación específica. Sin embargo, los diseños de amplificador con transistor usan más partes e incrementan el tiempo y el esfuerzo del diseñador. También es difícil alcanzar la precisión en los diseños discretos debido a la combinación del aparato con los gradientes de temperatura.

Una alternativa al amplificador de alto voltaje discreto es el módulo de amplificador operacional de alto voltaje. Estos módulos facilitan la tarea del diseñador de manera notable. Un módulo de alto voltaje es, a menudo, un módulo híbrido que permite la operación tanto de alto voltaje como de alta corriente. La ventaja de estos módulos frente a los diseños discretos es que los módulos tienen un rendimiento especificado según la fábrica. Si bien estas especificaciones reducen las actividades de caracterización del diseñador, los módulos híbridos son costosos. En la mayoría de los casos, los amplificadores operacionales monolíticos de alto voltaje pueden cumplir la mayoría de los requisitos de rendimiento de un diseño.

Sin embargo, en instancias en las que no es posible, arrancar la fuente de alimentación del amplificador operacional monolítico abre una lista de opciones disponibles del amplificador operacional, al estirar la fuente de alimentación del amplificador monolítico desde algunos pocos a cientos, después de sus especificaciones. Si bien las estrategias de arranque requieren un mayor esfuerzo, la solución es de un costo mucho menor, en comparación con los módulos de alto voltaje. Esto se debe, en gran parte, a que hay una variedad de amplificadores operacionales que tienen un rendimiento específico según la fábrica suficiente. Tenga en cuenta que el arranque no afecta las especificaciones del DC del amplificador, tales como la compensación del voltaje, la oscilación del voltaje de entrada, y la oscilación del voltaje de salida.

Técnicas de arranque de la fuente de alimentación

La configuración de arranque controla los voltajes de suministro de un aparato, en relación con su voltaje de salida. El circuito de arranque tiene un par de transistores discretos y una red de polarización resistente (Figura 1).

Figura 1: Un arranque esquemático de alto voltaje simplificado con voltajes fijados de suministro de sistema +V_S y -V_S . Los voltajes de suministro del aparato de V_CC y V_EE cambian en función del voltaje de salida, V_OUT. (Fuente de la imagen: Bonnie Baker, de material de cortesía de Analog Devices)

Muchos amplificadores de alto voltaje eliminan la necesidad de una fuente de alimentación de arranque. Por ejemplo, el 10 megahertz (MHz) de Analog Devices ADHV4702-1BCPZ  que se muestra en la figura, es una fuente de alimentación de ±110 voltios que es suficiente para las aplicaciones de alto voltaje. Sin embargo, si el sistema requiere voltajes aún mayores, el enfoque de arranque fácilmente duplica este rango operativo del circuito.

Para ejecutar el arranque, el MOSFET de canal N RFP4868PBF de Infineon Technologies se usa como Q₁. Este aparato tiene un voltaje de ruptura de 300 voltios y un I_D máx. de 70 A. Q₂ es el MOSFET de canal P TP2435N8-G de Microchip Technology. Tiene un voltaje de ruptura de 350 voltios.

En la Figura 1, el amplificador de precisión ADHV4702-1 tiene un rango de voltaje operativo de ±12 voltios a ±110 voltios. Con un voltaje de suministro de ±110 voltios, el rango típico de voltaje de salida es de ±108.5 voltios. Con un ±V_S de ±300 voltios, este circuito de arranque es una base para un amplificador que pueda alcanzar una oscilación de salida de ±120 voltios o más.

Este concepto de arranque, también conocido como rieles voladores, ajusta continuamente los voltajes del suministro del amplificador para que sean simétricos al voltaje de salida del amplificador, V_OUT. En consecuencia, la salida se mantiene dentro del rango de suministro. En el circuito de arranque, los divisores de voltaje resistor (R_BOT y R_TOP) mantienen la diferencia entre V_CC y V_EE constante en ±90 voltios mientras el rango de salida del amplificador es de ±200 voltios. La simulación SPICE ilustra este fenómeno de suministro flotante (Figura 2).

Figura 2: La simulación SPICE ilustra este fenómeno de suministro flotante donde las fuentes de alimentación del amplificador delta (diferencia entre V_CC y V_EE) permanecen en ±90 voltios aprox., y el rango de salida del amplificador es de ±200 voltios. (Fuente de la imagen: Bonnie Baker)

En la Figura 2, V_OUT es V_IN, R_TOP es 45 Kilo ohmios (kΩ), y R_BOT es 20 kΩ. R_TOP es el resistor más cercano a las fuentes externas (+V_S y -V_S) y R_BOT es el resistor más cercano a la salida del amplificador operacional (V_OUT). Tenga en cuenta que, en la Figura 2, los voltajes V_CC y V_EE se acercan a +V_S (300 voltios) y -V_S (-300 voltios). La distorsión del circuito ocurre cuando la señal de salida (V_OUT) fuerza a V_CC y a V_EE a igualar o superar a +V_S o -V_S.

El arranque proporciona una capacidad de alta señal para cualquier amplificador operacional. Sin embargo, la velocidad de respuesta del amplificador causa un impacto en este rendimiento dinámico de la configuración del alto voltaje. En la Figura 1, la velocidad de respuesta del amplificador operacional limita la capacidad de respuesta de V_CC y V_EE ante una señal dinámica. Los amplificadores de arranque se aplican mejor para las aplicaciones de baja frecuencia y de DC, donde los suministros se mueven lento.

Implementación del diseño de arranque

El diseño del arranque de la fuente de alimentación del amplificador operacional sigue un proceso de tres pasos:

1. Abordar el intercambio entre el amplificador y la disipación de potencia del MOSFET
2. Determinar la oscilación de salida del amplificador máxima y asignar el voltaje del suministro del amplificador
3. Considere los requisitos de la resistencia de gran disipación

En la Figura 1, la disipación de potencia divide entre el amplificador operacional y el drenaje-fuente del MOSFET. El amplificador y el transistor de efecto de campo (FET) tienen un suministro de voltaje dentro de un rango de operación específico. Podría ser tentador darle potencia al amplificador con voltajes menores, pero podría estresar al MOSFET. La disipación de potencia total se aloja entre el amplificador y los MOSFET.

La relación entre el rango de oscilación de salida del amplificador operacional máx. (±V_OUT-MAX) y los suministros del amplificador operacional (V_EE, V_CC) determinan la red del divisor de voltaje resistor, según la ecuación 1.

 Ecuación 1a

Si el voltaje de suministro del amplificador operacional nominal es igual a ±100 voltios y el rango de oscilación de salida máximo es igual a ±150 voltios, el radio divisor será, entonces igual a:

 Ecuación 1b

Este cálculo permite una manera conveniente de determinar el valor de los resistores en esta aplicación. Sin embargo, cuando selecciona los resistores, es importante saber que hay involucrados altos voltajes y que los resistores podrían necesitar disipar una corriente considerable. Elija los valores de los resistores para limitar la disipación de calor dentro de sus valores respectivos.

Por ejemplo, R_TOP alcanza 150 voltios, y R_BOT 100 voltios. Usando resistores de ½ watt, el límite de disipación de potencia (V²/R) se calcula usando la ecuación 2:

 Ecuación 2a

 Ecuación 2b

Usando el resistor 45 kΩ como factor disipador que limita la potencia, el valor de R_BOT rinde un divisor 2.5:1 con un límite de disipación de poder estático calculado de la siguiente manera:

Selección del transistor de efecto de campo (FET)

El primer controlador para la elección de MOSFET es el voltaje de ruptura. Este voltaje debe soportar las peores condiciones de caso de polarización. El voltaje de ruptura se observa cuando la salida está saturada, lo que sucede cuando un MOSFET está al máximo V_DS y el otro MOSFET está en el mínimo V_DS. Por ejemplo, el más alto absoluto V_DS es de ~300 voltios, lo cual es el V_OUT-MAX (500 voltios) menos el voltaje total de suministro del amplificador, (V_CC – V_EE = 200 voltios). Por lo tanto, el voltaje de soporte de los MOSFET debe ser de, al menos, 300 voltios. Además, el cálculo de la disipación de potencia debe ser el peor caso de, tanto V_DS como la corriente operativa. Los diseñadores deben asegurarse de que los MOSFET sean específicos para operar en este nivel de potencia.

La capacidad de compuerta del MOSFET genera un filtro de paso bajo con la resistencia de polarización, y los MOSFET de mayor ruptura tienden a tener capacidades de compuerta mayores. En este circuito, la resistencia de polarización tiende a estar dentro de diez a cientos de kΩ. Con estos altos valores, no se requiere demasiada capacidad de compuerta para enlentecer el circuito.

El valor de la capacidad de compuerta MOSFET en la hoja de datos (C_GATE) y la combinación paralela R_TOP y R_BOT determinan la frecuencia de polos de un filtro de paso bajo, según la ecuación 3:

 Ecuación 3

Precauciones

La respuesta de frecuencia de la red de polarización debe permanecer diez veces más rápida que las señales de entrada y salida. Si la red de polarización enlentece el circuito, la salida del amplificador puede extender su suministro. La entrada también posibilita un daño por parte de variaciones transitorias de temperatura fuera de los rieles de alimentación del amplificador, y la salida posibilita una distorsión debido a la saturación transitoria o a la limitación de velocidad de respuesta. Estas condiciones pueden crear una pérdida de respuesta negativa, comportamiento impredecible temporario, y posiblemente un bloqueo debido a la inversión de la fase.

Rendimiento

El amplificador en el circuito de arranque de la fuente de alimentación puede configurarse para una ganancia mayor sin inversión. Esta configuración del amplificador operacional de arranque funciona de la misma manera que cualquier otra etapa de ganancia de amplificador operacional. Debe usarse una configuración sin inversión. Con una medida de linealidad de DC, las características del amplificador dominan los resultados (Figura 3). El amplificador se configura con una ganancia de 20, con un rango de fuente de alimentación de ±140 voltios.

Figura 3: Se muestra el error de ganancia vs. el voltaje de entrada con una ganancia de 20 y un voltaje de suministro de ±140 voltios. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

La salida del amplificador operacional tiene una velocidad de respuesta finita, mientras sus suministros están a función de su salida. En la entrada del amplificador operacional, una función de paso puede excederse del rango de suministro del amplificador operacional (Figura 4).

Figura 4: La velocidad de respuesta con una ganancia de 20 y un rango de fuente de alimentación de ±140 voltios. En la entrada del amplificador operacional, una función de paso puede excederse del rango de suministro del amplificador operacional y provocar una condición de bloqueo. Esto puede evitarse si se coloca un filtro de paso bajo en el nodo de entrada. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

En la Figura 4, la velocidad de respuesta específica del ADHV4702-1 es de 74 voltios por microsegundo (voltios/ms). Para evitar la condición bloqueada, los diseñadores deberán usar un filtro de paso en el nodo de la entrada de señal (V_IN). Este circuito de límite de velocidad de respuesta reduce los transitorios a menos o igual a la velocidad de respuesta del amplificador operacional, siguiendo la ecuación 4:

Ecuación 4

Donde V_STEP es el tamaño de pasos máximos de fuentes de señales y SR es la nueva velocidad de respuesta del amplificador operacional.

Conclusión

Una manera excelente de controlar voltajes análogos altos a un bajo costo y mínimo estado real es arrancar la combinación de un amplificador operacional de salida riel a riel de alto voltaje y un par de transistores que puedan soportar alto voltaje de ruptura. El amplificador de precisión de alto voltaje ADHV4702-1 de Analog Devices, junto con los MOSFET de alto voltaje de Infineon y Microchip pueden usarse para crear una solución de tanta precisión de alto rendimiento que proporcione el doble del rango de señal nominal del amplificador, y continúe proporcionando un rendimiento mayor.