Журнал "Новости Электроники", номер 7, 2008 год.OPA454 - мощный и высоковольтный
Сергей Пичугин (КОМПЭЛ)В мире современных высоковольтных операционных усилителей существуют лишь единицы аналогов для OPA454. Это высоковольтный прибор широкого применения (диапазон напряжения питания 100 В, выходной ток - более 50 мА).
Краткое описание
OPA454 - новый недорогой высоковольтный операционный усилитель компании Texas Instruments с выходным током более 50 мА и полосой пропускания 2,5 МГц. Одно из преимуществ - высокая стабильность OPA454 при единичном коэффициенте усиления. Внутри ОУ организована защита от превышения температуры и перегрузки по току. Работоспособность ИС сохраняется в широком диапазоне напряжений питания от ±5 до ±50 В или, в случае однополярного питания, от 10 до 100 В (максимум 120 В). У OPA454 существует дополнительный вывод «Status Flag» - статусный выход ОУ с открытым стоком, - что позволяет работать с логикой любого уровня. Этот высоковольтный операционный усилитель обладает высокой точностью, широким диапазоном выходных напряжений, не вызывает проблем при инвертировании фазы, которые часто встречаются при работе с простыми усилителями.
Технические особенности OPA454:
- Широкий диапазон питающих напряжений от ±5 В (10 В) до ±50 В (100 В)
- (предельно до 120 В)
- Большой максимальный выходной ток > ±50 мА
- Широкий диапазон выходных напряжений от Uпит. до 1 В
- Широкий диапазон рабочих температур от -40 до 85°С (предельно от -55 до 125°С)
- Корпусное исполнение SOIC или HSOP (PowerPADTM)
Подключение и применение
На рисунке 1 показана базовая схема включения OPA454 в качестве неинвертирующего усилителя.
Рис. 1. Базовая неинвертирующая схема включения усилителя OPA454
Питание, как уже упоминалось, может быть выбрано любое в диапазоне от ±5 до ±50 В при сохранении всех характеристик. При этом выводы питания обязательно должны быть зашунтированы относительно общего провода конденсаторами емкостью более 0,1 мкФ. В некоторых приложениях положительное и отрицательное напряжения питания не равны, для этого ОУ OPA454 способен работать с большой разницей питающих напряжений - от 10 до 100 вольт. К примеру, положительное напряжение может быть выбрано +90 В, а отрицательное -10 В.
При необходимости выход ОУ может быть независимо отключен, для чего требуется соединить вход «Enable/Disable» c его собственным «общим» выводом «Enable/Disable Common», что упрощает «стыковку» с низковольтной логикой. При таком отключении сигнальная часть остается нетронутой, что в большей степени необходимо для защиты нагрузки.
Защита входных цепей
ОУ OPA454 имеет усиленную защиту от повышенного напряжения между прямым и инверсным входами. Защита также сработает, если напряжение на любом из входов превысит напряжение питания. Входные JFET-транзисторы во внештатной ситуации ограничивают входной ток на безопасном уровне 4 мА. Для дополнительной безопасности OPA454 имеет диэлектрическую изоляцию внешней металлической площадки, предназначенной для организации дополнительного охлаждения (стандартные корпуса SOIC и HSOP с модификацией PowerPADTM).
Увеличение максимального выходного тока
ОУ OPA454 позволяет без потерь в качественных параметрах работать с токами в нагрузке, превышающими 50 мА. Для увеличения выходного тока разрешается соединять от двух и более ОУ в параллель, как показано на рисунке 2а.
Рис. 2. Примеры схем включения OPA454 для увеличения максимального выходного тока
По такой схеме усилитель А1 является «ведущим» и может работать в любой схемной конфигурации. Усилитель А2 является «зависимым» и выполняет лишь роль буфера с единичным усилением. Как альтернативное решение для усиления тока может быть использована схема с дополнительными внешними выходными транзисторами, как показано на рисунке 2б. С применением указанных транзисторов схема способна работать с токами в нагрузке до 1 А.
Выводы «ENABLE» и «E/D Com»
Если вывод «E/D Com» оставить неподключенным, то он «подтянется» напрямую к «V-» (шине отрицательного питания) через внутренний источник тока 10 мкА. Если же не подключить вывод «ENABLE», то потенциал на нем удержится примерно на уровне 2 В относительно вывода «E/D Com» через дополнительный источник тока 1 мкА. Когда выводы «ENABLE» и «E/D Com» не подключены, даже умеренно быстрый сигнал отрицательной полярности через емкостную связь с выводом «ENABLE» может перевести ОУ в режим ожидания («shutdown»). Если функция и вывод «ENABLE» не будут использоваться, то рекомендуется шунтировать этот вывод конденсатором 30 пФ или через внешний источник тока подключить его к шине «V+» (к шине положительного питания). На рисунке 3 показаны варианты подключения выводов «ENABLE» и «E/D Com».
Рис. 3. Варианты схем подключения выводов «ENABLE» и «E/D Com»
Если резистор RP будет равен 1 МОм, то при положительном питании +50 В, ток IP будет равен 50 мкА.
Токовая защита
На рисунке 4 изображены графики работы токовой защиты OPA454.
Рис. 4. Зависимость тока срабатывания защиты от температуры (а) и задержка оповещения
о перегрузке (выход «Status Flag») (б)
На графике слева можно видеть зависимость уровней тока срабатывания защиты (по втекающему и вытекающему току отдельно) от температуры окружающей среды, справа отображена осциллограмма типовой задержки статусного выхода «Status Flag». Ток в OPA454 измеряется непосредственно на выходных транзисторах и линейно ограничивается схемой защиты. В состоянии токовой перегрузки ИС будет работать до тех пор, пока температура кристалла не поднимется до уровня 150°С, что приведет к срабатыванию защиты по температуре. С достаточным радиатором и при использовании минимально возможного напряжения питания, OPA454 может сколь угодно долго оставаться в режиме ограничения тока и без срабатывания температурной защиты.
Температурная защита
Как уже говорилось ранее, при повышении температуры кристалла до 150°С срабатывает встроенная температурная защита. При этом триггерная схема переключает ОУ в режим ожидания («shutdown»), переводя выход OPA454 в безопасное высокоимпедансное состояние. Когда температура кристалла снизится до 130°С, нормальный режим работы ОУ автоматически восстановится. Такая температурная защита необходима для предотвращения выхода ОУ из безопасной области работы, даже при длительном замыкании выхода на шину общего провода или шину любого из питающих напряжений.
Корпусное исполнение
OPA454 выпускается в двух корпусах SO-8 и HSOP-20 с современной модификацией PowerPAD, благодаря чему удалось получить крайне низкое тепловое сопротивление между кристаллом и внешней частью корпуса. Главная конструктивная особенность этих корпусов - наличие открытой металлической площадки для отвода тепла, которая находится в прямом термоконтакте с кристаллом (рисунок 5).
Рис. 5. Корпуса SO-8 и HSOP-20 с модификацией PowerPAD (вид в разрезе)
Типовые схемы применения
На рисунках 6 и 7 отображены схемы программируемого источника напряжения и мостового удвоителя напряжения соответственно.
Рис. 6. Программируемый источник напряжения
Рис. 7. Мостовая схема с удвоением максимального выходного напряжения (пример для пьезоэлектрической пластины)
Как показано на рисунке 8, используя три OPA454, можно создать высоковольтный инструментальный усилитель.
Рис. 8. Высоковольтный инструментальный усилитель
Сумма напряжений VСМ±VSIG должна находиться в пределах от (V-) +2,5 В до (V+) -2,5 В. Максимальное напряжение питания по такой схеме не может быть больше чем ±50 В.
Для того чтобы измерять ток при помощи резистивного шунта, расположенного на основной шине питания, можно воспользоваться схемой на рисунке 9 (за основу взята предыдущая схема).
Рис. 9. Усилитель сигнала токового шунта по основной шине питания
VSUPPLY (напряжение на источнике питания) по такой схеме может быть любой полярности. Для примера, если V+ = +50 В и V- = -50 В, то максимальное значение V1 может быть +47,5 В, а минимальное значение V2 составляет -47,5 В.
На рисунках 10 и 11 показаны варианты включения нескольких OPA454 для увеличения максимального выходного напряжения.
Рис. 10. Неинвертирующая (а) и инвертирующая (б) схемы удвоения максимального выходного напряжения с использованием трех OPA454
Рис. 11. Мостовой усилитель с максимальным выходным напряжением ±195 В
На сегодняшний день все существующие ОУ с рабочим напряжением около 100 В уступают по техническим характеристикам OPA454 или многократно проигрывают по стоимости. Функциональные особенности легко позволяют ОУ OPA454 быть комплементарно совместимым с широким диапазоном операционных усилителей, источников опорного напряжения, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей, микроконтроллеров и стандартной логики.
Компания Texas Instruments, следуя своим правилам, предлагает разработчикам электронной техники ознакомиться с работой OPA454, предоставив возможность воспользоваться услугой заказа бесплатных образцов.
Подробное техническое описание OPA454: http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/opa454.pdf .
