Controllare e amplificare in modo efficiente e sicuro una tensione elevata con il giusto amplificatore operazionale

Sono molte le applicazioni che, per la natura del loro segnale di ingresso o delle caratteristiche del carico in uscita, richiedono amplificatori operazionali in grado di operare a tensioni elevate (oltre 60 V e fino a 100 V). Ne fanno parte i driver piezoelettrici in stampanti a getto d'inchiostro e 3D, i trasduttori a ultrasuoni e altri strumenti medicali, driver ATE e sorgenti di campo elettrico.

Non si tratta di amplificatori operazionali tipici, in quanto devono soddisfare requisiti di velocità di variazione a fronte di carichi non resistivi (induttivi, capacitivi), richiedono un'alimentazione strettamente regolata e - quando le tensioni superano i 60 V - anche rigidi e rigorosi requisiti di regolazione. A seconda dell'applicazione, possono essere presenti anche correnti elevate, con conseguenti problemi di gestione termica.

Per far fronte a tutti questi aspetti, sono disponibili amplificatori operazionali standard monolitici e ibridi ad alta tensione basati su processi speciali. Tuttavia, per soddisfare in modo coerente e sicuro gli obiettivi di progettazione del sistema, è necessario prestare particolare attenzione nella loro scelta, nel loro inserimento nel progetto e nella definizione del layout. Questo articolo prenderà in esame l'uso di amplificatori operazionali a tensione più elevata (>100 V) nelle loro applicazioni particolari (ma sorprendentemente comuni) e come utilizzarli con successo.

A cosa serve una tensione elevata?

I possibili esempi di applicazioni con amplificatori operazionali ad alta tensione sono numerosi e di vario tipo. La maggior parte di essi richiedono sia tensioni più elevate che un controllo preciso, in quanto partendo dal loro segnale di ingresso a tensione inferiore sviluppano una versione con guadagno di tensione. Il più delle volte non si tratta di segnali di tensione superiore On/Off, quindi serve un amplificatore lineare piuttosto che una più semplice funzione di commutazione di alta tensione. Fra queste applicazioni, che spesso richiedono un'uscita bipolare, vi sono:

• Driver piezoelettrici in stampanti a getto d'inchiostro, trasduttori a ultrasuoni e valvole di misurazione precisa del flusso
• Driver per apparecchiature di test automatico (ATE) utilizzati per sfruttare pienamente altri circuiti integrati, dispositivi ibridi e moduli
• Strumenti scientifici come i contatori Geiger
• I diodi laser ad alta intensità dei sistemi di imaging LiDAR (imaging, rilevamento e telemetria mediante luce) per applicazioni automotive
• Creazione di campi elettrici spesso utilizzati nei test biomedici sui fluidi

Molti di questi sistemi funzionano, almeno in parte, con tensioni più elevate ma hanno correnti da basse a modeste (fra 10 e 100 mA) e quindi non sono "ad alta potenza" nel senso comune del termine. Di conseguenza, in fase di progettazione l'attenzione è puntata più sul controllo e sull'erogazione della tensione necessaria che non sulla gestione del calore generato.

Ad esempio, un amplificatore operazionale che eroga 100 V a 100 mA a un carico richiede alla rete solo 10 W (più una certa potenza supplementare per le perdite interne, in genere tra il 20% e il 30%). Anche se non si può certo dire che si tratti di una "micropotenza", dal punto di vista termico non è necessariamente una situazione difficile, dato che la maggior parte di quei 10 W va al carico e quindi non viene dissipata dai componenti elettronici. Quando si avvia un progetto, tuttavia, occorre comunque tener conto della dissipazione termica.

Di seguito, alcune questioni generali che il progettista si trova ad affrontare e che sono più attinenti all'amplificazione ad alta tensione tramite un amplificatore operazionale:

• Scelta e implementazione di un amplificatore operazionale idoneo
• Ottimizzazione delle prestazioni del dispositivo ad alta tensione
• Predisposizione di rail di alta tensione c.c. per l'amplificatore operazionale, che possono essere gli stessi dell'alimentazione del carico
• Garanzia della sicurezza dell'alta tensione e rispetto dei requisiti normativi in materia di layout e costruzione

Scelta e implementazione dell'amplificatore operazionale

Un amplificatore operazionale ad alta tensione è diverso da un amplificatore tradizionale. In genere, un amplificatore fornisce guadagno di potenza con una certa combinazione di tensione e corrente, normalmente in un carico resistivo. Un amplificatore operazionale, invece, è configurato per aumentare la tensione e fornire al carico una corrente che può arrivare alla specifica massima. Inoltre, può essere configurato per un guadagno fisso o regolabile e utilizzato in diverse topologie oltre al "semplice" blocco di guadagno di tensione.

Storicamente, la maggior parte dei processi CI usati per funzioni lineari come gli amplificatori operazionali erano limitati a un massimo di circa 50 V. Per creare un amplificatore operazionale a tensione superiore, i progettisti hanno aggiunto in uscita dei transistor esterni discreti ad alta tensione con funzioni di booster di tensione. Di seguito viene illustrato l'uso dell'amplificatore operazionale JFET di precisione LT1055 di Analog Devices in un circuito con transistor booster complementari per erogare ±120 V (Figura 1).

Figura 1: Un approccio all'erogazione di tensione più elevata con un amplificatore operazionale è quello di aggiungere transistor booster complementari a un dispositivo di base come LT1055 di Analog Devices per sfruttare le caratteristiche di ingresso dell'amplificatore operazionale: questo progetto porta l'uscita a ±120 V. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Lo svantaggio di questo approccio è però una distinta base più complessa e costosa rispetto al solo circuito integrato, senza contare gli inevitabili problemi di layout. Inoltre è difficile raggiungere e mantenere prestazioni simmetriche tra le oscillazioni di uscita positiva e negativa, riducendo allo stesso tempo al minimo la distorsione attraverso il punto di zero-crossing. Questi problemi in genere sono dovuti a componenti disomogenei (principalmente i transistor NPN e PNP) e a uno squilibrio nel layout fisico.

La selezione di un amplificatore operazionale ad alta tensione inizia con la valutazione dei parametri che sono simili a quelli di un qualsiasi amplificatore operazionale, anche se ovviamente i numeri specifici saranno diversi. Il processo è alquanto semplificato, dato che le offerte per l'alta tensione sono relativamente meno numerose. Le considerazioni progettuali riguardano tre aree primarie:

1. I fattori più importanti sono la tensione di uscita, la corrente di uscita, la larghezza di banda, la velocità di variazione e le prestazioni unipolari rispetto a quelle bipolari
2. Altri aspetti che destano preoccupazione sono le limitazioni della velocità di variazione e del tipo di carico, nonché gli errori di deriva legati alla temperatura, che possono presentarsi nella forma d'onda di uscita
3. Infine, vi sono problemi di protezione dal sovraccarico termico, l'eccesso di corrente e altri che riguardano tutti gli amplificatori

Superare le limitazioni

I progettisti devono valutare quali, fra gli amplificatori operazionali ad alta tensione disponibili, non solo rispondono ai criteri obbligatori ricordati al punto 1, ma hanno anche specifiche di errore abbastanza basse da soddisfare i requisiti, e inoltre offrono una protezione integrata sufficiente o possono essere dotati di protezione esterna come la limitazione della corrente.

Per adattare le prestazioni di un dispositivo che soddisfa quasi tutti i requisiti è richiesta un'attenta valutazione. Ad esempio, a volte il "migliore" amplificatore operazionale disponibile potrebbe avere ancora un problema di instabilità durante il pilotaggio di un carico capacitivo, o di capacità di corrente di uscita sufficiente, oppure di deriva eccessiva legata alla temperatura. Il progettista deve decidere se cercare un altro amplificatore operazionale, che potrebbe però avere altre carenze, oppure prendere il migliore ed estenderne poi le prestazioni.

Alcuni esempi illustrano la difficoltà di questa scelta:

Carichi capacitivi: ADHV4702-1 di Analog Devices è un amplificatore operazionale di precisione ad alta tensione (Figura 2). Il dispositivo può funzionare con doppie alimentazioni simmetriche di ±110 V, con alimentazioni asimmetriche o con una singola alimentazione a +220 V e può erogare da ±12 V a ±110 V fino a 20 mA.

Un fattore decisivo per le sue prestazioni elevate è il suo guadagno a circuito aperto di 170 dB (A_OL). Può pilotare facilmente carichi capacitivi modesti ma, quando il carico aumenta, i poli della sua funzione di trasferimento si sposteranno, per cui avrà picchi in uscita e probabilmente, visto il ridotto margine di fase, sarà instabile.

I progettisti di amplificatori operazionali hanno trovato una soluzione a questo problema. Aggiungendo un resistore in serie tra l'uscita e il pin C_Load, l'amplificatore riesce a pilotare carichi superiori a 1 µF (Figura 2).

Figura 2: L'inserimento di un resistore in serie (R_S) tra l'uscita dell'amplificatore e C_LOAD consente ad ADHV4702-1 di pilotare carichi capacitivi superiori a 1 μF. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

L'aggiunta di questo resistore può però causare dei modesti picchi di carico (Figura 3).

Figura 3: R_S e C_LOAD a confronto per picchi massimi di 2 dB per il circuito mostrato nella Figura 2 a guadagno unitario, tensione di alimentazione di ±110 V e V_OUT = 100 V_p-p. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Se per l'applicazione sono eccessivi anche picchi di carico di 2 dB, ADHV4702-1 supporta la compensazione esterna tramite un condensatore inserito tra il suo pin di compensazione e la terra. Selezionando in modo accorto il resistore e il condensatore, è possibile garantire la stabilità con carichi capacitivi con risposta quasi piatta sull'intera larghezza di banda (Figura 4).

Figura 4: Risposta in frequenza di piccoli segnali rispetto alla compensazione esterna per ADHV4702-1 a guadagno unitario, alimentazione di ±110 V, V_OUT = 100 V_p-p, R_f = 0 Ω e C_COMP = 5,6 pF. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Pilotaggio di corrente di uscita più elevata: l'amplificatore operazionale OPA454AIDDAR di Texas Instruments eroga da ±5 V a ±50 V da una singola alimentazione rispettivamente da 10 V a 100 V. Questi valori corrispondono alla metà della tensione di uscita nominale rispetto a quella di ADHV4702-1 (100 V contro 200 V), ma la corrente di pilotaggio è >2 volte (50 mA contro 20 mA). E tuttavia, per alcuni carichi nemmeno questa corrente source/drain supplementare potrebbe essere sufficiente, specie se il carico comprende carichi minori in parallelo.

Due sono le opzioni che affrontano questo problema per OPA454. In primo luogo, è possibile collegare in parallelo due (o più) OPA454AIDDAR (Figura 5).

Figura 5: L'inserimento in parallelo di due amplificatori operazionali OPA454AIDDAR aumenterà linearmente la loro capacità di corrente di uscita. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

L'amplificatore A1 funge da master e può essere configurato per qualsiasi configurazione di amplificatore operazionale, non solo come unità di guadagno di base. L'amplificatore A2, che può essere solo uno o più, è uno slave. È configurato come buffer a guadagno unitario che tiene traccia dell'uscita di A1 mentre aggiunge ulteriore corrente di pilotaggio.

Un'alternativa per ottenere più corrente di quella che un singolo amplificatore o più slave sono in grado di fornire è quella di utilizzare transistor esterni di incremento della corrente di uscita (Figura 6).

Figura 6: Un'alternativa alla messa in parallelo dei dispositivi OPA454 è utilizzare transistor di uscita esterni. Questa configurazione consente di ottenere una corrente di uscita ancora più elevata. In questo caso, aumentano la corrente di uscita a più di 1 ampere. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Utilizzando i transistor illustrati, la configurazione può fornire più di 1 A. Tuttavia, a differenza dell'uso di amplificatori operazionali OPA454 supplementari, la coppia di transistor complementari potrebbe non fornire la linearità e il livello di prestazioni senza distorsione richiesti. Se serve questa corrente in più e i transistor sono la soluzione preferita, potrebbero essere necessarie coppie di transistor PNP/NPN complementari abbinati.

Coefficiente di temperatura (tempco) e deriva: come per tutti i componenti analogici, il coefficiente di temperatura influenza le prestazioni e la precisione e la deriva della temperatura di offset in ingresso (dV_OS/dT) diverrà parte dell'uscita amplificata. Per OPA454, la specifica dV_OS/dT è abbastanza bassa a ±1,6 μV/°C (tipica) e a ±10 μV/°C (massima) sull'intervallo di temperatura ambiente specificato da -40 °C a +85 °C.

Se questo valore è eccessivo, l'aggiunta di un amplificatore operazionale a "deriva zero" come preamplificatore prima di OPA454 ad alta tensione ridurrà la deriva complessiva (Figura 7). Con OPA735 di Texas Instruments al posto del preamplificatore a deriva zero, la deriva del coefficiente di temperatura dell'amplificatore ad alta tensione può essere mantenuta a 0,05 μV/°C (massimo) del primo stadio, con un fattore di riduzione di 200.

Figura 7: L'aggiunta dell'amplificatore operazionale a deriva quasi zero OPA735 nel percorso di ingresso di OPA454 porta a un circuito di alta tensione a due stadi con una deriva della temperatura di offset in ingresso molto bassa. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Problemi termici e protezione

Anche se i livelli di corrente possono essere modesti, la dissipazione interna dovuta alle tensioni più elevate può rappresentare un problema, secondo l'equazione potenza = tensione × corrente. La modellazione termica è essenziale, a partire dall'equazione di base della temperatura di giunzione: T_J = T_A + (P_D × Θ_JA), dove T_J è la temperatura di giunzione, T_A è la temperatura ambiente, P_D è la dissipazione di potenza e Θ_JA è la resistenza termica del contenitore all'ambiente. Quest'ultima è determinata dalle tecniche di montaggio e dall'ambiente, tra cui la dissipazione di calore, il flusso d'aria e il rame della scheda a circuiti stampati.

Riconoscendo l'importanza e la presenza del calore generato, circuiti integrati come OPA454 e ADHV4702-1 incorporano circuiti di arresto termico. Ad esempio, il circuito di OPA454 attiva l'arresto termico automatico in cui l'uscita passa a uno stato di alta impedenza quando la temperatura interna del dispositivo raggiunge i 150 °C. Rimane in arresto termico fino a quando non si raffredda a 130 °C, dopodiché si riattiva. Questa isteresi impedisce l'oscillazione on/off dell'uscita attorno a un limite termico.

I limiti di dissipazione non dipendono solo dalla potenza di uscita statica, ma sono influenzati anche dalla frequenza operativa e dalla velocità di variazione, che possono provocare un riscaldamento eccessivo dello stadio di uscita. È fondamentale studiare i grafici dell'area operativa sicura (SOA) per qualsiasi unità di questo tipo, a partire dalla SOA statica di ADHV4702-1 (Figura 8).

Figura 8: È fondamentale studiare i grafici dell'area operativa sicura (SOA). La SOA c.c. di ADHV4702-1 è rappresentata dall'area sotto le curve, a temperature ambiente di 25 °C e 85 °C, con un guadagno di 20 V e un'alimentazione di ±110 V. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Anche la SOA dinamica è un motivo di preoccupazione. ADHV4702-1 è dotato di un circuito interno di incremento della velocità di variazione per raggiungere la sua larghezza di banda di 19 MHz di piccoli segnali e una velocità di variazione di 74 V/µs. Tuttavia questo circuito booster può consumare una maggiore quantità di corrente a seconda del segnale. Per questo motivo, per limitare la tensione di ingresso differenziale di ADHV4702-1 si possono utilizzare dei diodi esterni (Figura 9).

Figura 9: I diodi esterni sull'ingresso di ADHV4702-1 proteggeranno il dispositivo dagli effetti termici dell'alta corrente del circuito booster limitando la sua tensione di ingresso differenziale. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Questa configurazione protegge l'amplificatore in funzionamento dinamico, ma limita la velocità di variazione e l'ampia larghezza di banda del segnale. Di conseguenza, limita anche la corrente prodotta dal circuito di aumento della variazione e riduce la dissipazione di potenza interna (Figura 10).

Figura 10: SOA dinamica a temperature ambiente di 25 °C e 85 °C, con e senza diodi livellatori, nelle stesse condizioni della SOA statica. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Non tutti i driver ad alta tensione includono una protezione termica perché l'ampia SOA rende troppo restrittivo un circuito interno. Ad esempio, PA52 di Apex Microtechnology è un amplificatore ad alta tensione e alta potenza in grado di erogare fino a 40 ampere (continui)/80 ampere (picco) a una velocità di variazione di 50 V/µs attraverso un'oscillazione di tensione unipolare o bipolare di 200 V. Poiché i livelli di dissipazione possono essere così elevati, il grafico della SOA di questo dispositivo rappresenta un elemento critico nella progettazione del sistema, coprendo sia la modalità c.c. che quella impulsiva (Figura 11).

Figura 11: La SOA per un amplificatore ad alta tensione (±100 V), ad alta corrente (80/40 A), come PA52 di Apex Microtechnology, varia molto, a seconda che operi in modalità stazionaria o impulsiva. (Immagine per gentile concessione di Apex Microtechnology)

Per PA52, i progettisti probabilmente decideranno di aggiungere un resistore esterno di rilevamento della corrente high-side tra l'uscita e il carico per misurare la corrente di uscita e quindi valutare la potenza. Il dimensionamento di questo resistore è sempre il frutto di un compromesso tra un valore di resistenza elevato e uno più basso. Una resistenza più elevata fornisce un segnale più grande e un rapporto segnale/rumore (SNR) più elevato, mentre una resistenza più bassa riduce al minimo l'autodissipazione del resistore e la diminuzione della potenza di uscita erogata.

Un buon punto di partenza è quello di scegliere per il resistore un valore per cui la tensione che lo attraversa sia di 100 mV alla corrente di carico massima. Inoltre, il circuito di rilevamento dovrà essere compatibile con tensioni di modo comune (CMV) elevate. Nella maggior parte dei casi, un circuito di rilevamento isolato è necessario per diverse ragioni: integrità del segnale rilevato, protezione del resto del circuito e sicurezza dell'utente.

Problemi di alimentazione e normativi

Data la criticità delle specifiche del layout fisico, per costruire un amplificatore ad alta tensione non basta definire uno schema e scegliere dei componenti da mettere nella distinta base. Per circuiti che operano oltre i 60 V circa ci sono problemi di sicurezza di implementazione e norme da rispettare (il valore effettivo dipende dall'applicazione finale e dal paese/regione). Per questi progetti con tensioni più elevate, gli utenti devono decidere come separare le tensioni più alte da quelle più basse e più sicure. Potrebbero essere richiesti uno o più mezzi meccanici come barriere, interblocchi, isolamento o spaziatura.

Inoltre, il layout deve soddisfare i requisiti normativi per le dimensioni minime di isolamento superficiale e distanza minima in aria per i componenti e le tracce del circuito stampato, in modo da evitare la formazione di archi e scariche disruttive. Queste dimensioni dipendono dalla tensione e dall'ambiente operativo previsto (umidità e polvere rispetto a un ambiente pulito e asciutto). Rivolgersi a un consulente esperto in materia potrebbe essere una buona idea, perché le norme sono rese complesse da molti cavilli, mentre il processo formale di approvazione richiede sia l'analisi del layout di progettazione, della costruzione, dei materiali e delle dimensioni, sia un modello di prova per i test.

In linea di principio, un'alimentazione c.a./c.c. o c.c./c.c. da bassa ad alta tensione non presenta difficoltà e può essere realizzata utilizzando un raddrizzatore ad onda intera (per c.a.) assieme a un circuito moltiplicatore di tensione composto da diodi e condensatori. La progettazione dell'alimentazione ad alta tensione comporta tuttavia diversi problemi pratici, ad esempio la garanzia che i valori nominali di tensione di questi dispositivi passivi siano adeguati.

Anche il posizionamento dell'alimentazione è problematico. In applicazioni che hanno solo un'alimentazione a bassa tensione (dell'ordine di decine di volt o meno) si potrebbe pensare di portare i cavi della tensione più bassa a un moltiplicatore di tensione separato posto vicino alle funzioni dell'amplificatore operazionale ad alta tensione. Tuttavia, l'assorbimento di corrente a tensione più bassa comporta un'ulteriore caduta di corrente-resistenza (IR) e una perdita di potenza I²R in quei fili che possono annullare i vantaggi della separazione. L'altra opzione consiste nel far passare i cavi ad alta tensione per tutta la distanza, riducendo così le perdite ma aumentando anche i vincoli normativi e di sicurezza.

Fare da sé o comprare già pronto?

A prescindere dal posizionamento, a meno che il team di progettazione non sia veramente competente ed esperto, di solito è preferibile acquistare l'alimentatore ad alta tensione piuttosto che tentare di progettarlo e costruirlo da sé. Questi alimentatori sono accompagnati da molti problemi e ottenere la certificazione è difficile. Un alimentatore non deve solo prendere una tensione di ingresso e trasformarla nell'uscita desiderata:

• Deve essere accurato e stabile
• Deve rispondere agli obiettivi di prestazioni di risposta ai transitori e di ripple
• Dovrebbe essere dotato di diverse caratteristiche di protezione e di spegnimento
• Deve soddisfare gli standard EMI
• E potrebbe anche dover essere isolato galvanicamente

Sono disponibili molti alimentatori a tensione più elevata, dai modelli a bassa corrente a quelli in grado di erogare diversi ampere o più. Ad esempio, FS02-15 della divisione EMCO High Voltage di XP Power, è un modulo ad alta tensione isolato montato su scheda (Figura 12). Misura 57 × 28,5 x 12,7 mm (LuxLaxA), funziona con un'alimentazione di 15 V c.c. e fornisce 200 V (±100 V) a 50 mA. Il modulo soddisfa tutti i requisiti prestazionali e normativi e incorpora anche le caratteristiche che ora sono considerate standard e che ci si aspetta da un alimentatore completo.

Figura 12: Alimentatori di serie come FS02-15 di XP Power, che eroga ±100 V a 50 mA da un rail di alimentazione di 12 V, eliminano i problemi normativi e di progettazione associati alla fornitura sicura di alimentazione isolata per amplificatori operazionali ad alta tensione. (Immagine per gentile concessione di XP Power)

Conclusione

Gli amplificatori operazionali ad alta tensione sono indispensabili in molti sistemi elettronici tra cui dispositivi strumentali, medicali, per applicazioni di fisica, trasduttori piezoelettrici, diodi laser e altri ancora. Anche se i progettisti possono utilizzare amplificatori operazionali compatibili con queste tensioni, date le implicazioni prestazionali, termiche, normative e di sicurezza del loro funzionamento >100 V occorre comprenderne bene caratteristiche e limitazioni.