Мощные операционные усилители компании Apex Microtechnology

№ 5’2013
PDF версия
Постоянное расширение сфер применения устройств силовой электроники привело к активному распространению мощных операционных усилителей. Возрастающие уровни выходной мощности при отчетливой тенденции уменьшения габаритов приборов требуют непрерывного усовершенствования методов проектирования и производства силовой аппаратуры. Содействовать решению данной задачи могут сверхмощные операционные усилители компании Apex Microtechnology, отличающиеся рекордными показателями выходного напряжения и тока.

Введение

Операционные усилители (ОУ) являются одними из наиболее распространенных электронных компонентов, широко используемых в современных схемах формирования и преобразования информационных сигналов различного назначения — как в аналоговой, так и в цифровой технике. На фоне этого изобилия разработчику сложно сделать оптимальный выбор микросхемы для конкретного приложения. Операционные усилители характеризуются большим числом параметров, значения которых варьируются в широких пределах в зависимости от предъявляемых к ОУ требований. Выпускаемые промышленностью ОУ постоянно совершенствуются. Однако улучшить все параметры одновременно технически невозможно (не говоря уже о нецелесообразности подобных действий из-за стоимости полученного решения). Решение проблемы выбора предполагает определение нескольких ключевых параметров, критичных для разрабатываемого изделия, и, тем самым, ограничение списка возможных вариантов до разумных пределов. Это оправданно, так как в различных сферах применения от ОУ требуется высокое значение того или иного параметра, но не всех сразу. Исходя из этого, можно разделить все ОУ на различные типы в зависимости от назначения: низковольтные, малошумящие, прецизионные, с малым энергопотреблением, быстродействующие, высоковольтные.

Особое место занимают мощные усилители. Разработка мощных операционных усилителей стимулировалась необходимостью создания приборов для высоковольтного испытательного оборудования, сочетающих высокое напряжение, точность и быстродействие. Высокие энергетические показатели, значительные уровни рассеиваемой мощности требуют специального подхода как на стадии проектирования, так и на стадии производства. Силовые ОУ сочетают в себе обширные возможности аналоговых устройств и уникальные технологии производства. Признанным мировым лидером в области разработки силовых аналоговых компонентов является компания Apex Microtechnology.

Номенклатура электронных компонентов компании включает в себя мощные ОУ, ШИМ-усилители и прецизионные источники опорного напряжения [1]. Компоненты Apex спроектированы для коммерческого и военного применений, используются в промышленных системах управления технологическими процессами, в аэрокосмических устройствах, системах вооружений, аппаратуре связи и сбора данных, оптических и медицинских приборах, компьютерном и коммуникационном оборудовании. Инновационные интегральные гибридные схемы и модули отличаются высокой надежностью и предназначены для работы в системах управления электроприводом, для питания пьезопреобразователей, в источниках питания с программным управлением, в высоковольтных драйверах и в других мощных устройствах, требующих прецизионного управления. Само предприятие сертифицировано по стандарту менеджмента качества ISO 9001, а его продукция — по американскому военному стандарту MIL-PRF-38534 класса Н. Отметим ряд ключевых особенностей, свойственных для всей продукции, выпускаемой компанией Apex Microtechnology:

  • уникальные технические характеристики;
  • низкая стоимость мощности;
  • высокая долговременная надежность;
  • малый вес и габариты;
  • доступность средств отладки и технической поддержки.

 

Семейство мощных ОУ Apex Microtechnology

Уникальные по своим параметрам высоковольтные и сильноточные усилители составляют наиболее обширную группу компонентов компании (таблица). Более 60 моделей в монолитном и гибридном исполнении, а также в виде устройств с открытой структурой (Open Frame) позволяют сократить время разработки и сроки вывода готового изделия на рынок. Высокофункциональные устройства с выходным током до 50 А, напряжением питания до 1200 В и скоростью нарастания выходного напряжения до 3000 В/мкс способны функционировать в жестких условиях окружающей среды и при температурах –55…+125 °С [2].

Таблица. Номенклатура операционных усилителей компании Apex Microtechnology

Модель

Напряжение питания (макс.), В

Выходной ток (макс.), А

Скорость нарастания выходного напряжения,
В/мкс

Ток потребления в режиме ожидания (макс.), мА

Рассеиваемая мощность (макс.), Вт

Тип корпуса

Примечание

PA01

56

5

2,6

50

67

TO-3 (8 выводов)

 

PA02

38

5

20

40

48

 

PA03

150

30

8

300

500

MO-127 (12 выводов)

 

PA04

200

20

50

90

200

 

PA05

100

30

100

120

250

Высокоскоростной

PA07

100

5

4

30

67

TO-3 (8 выводов)

 

PA08

300

0,15

30

8,5

17,5

 

PA09

80

2

200

85

78

Высокоскоростной

PA09M

80

3

200

85

78

 

PA10

90

5

3

30

67

 

PA12

90

10

4

50

125

 

PA12A

100

15

4

50

125

 

PA12H

90

1

4

100

6

 

PA13

90

10

4

50

135

SIP-12

 

PA13A

90

15

4

50

135

 

PA15

450

0,2

20

3

30

POWER SIP (10 выводов)

 

PA16

38

5

20

40

62,5

POWER SIP (12 выводов

 

PA50

100

40

50

36

400

MO-127 (12 выводов)

 

PA50A

100

50

50

36

400

 

PA51

72

10

2,6

10

97

TO-3 (8 выводов)

 

PA52

200

40

50

36

400

MO-127 (12 выводов)

 

PA52A

200

50

50

36

400

 

PA61

90

10

2,8

10

97

TO-3 (8 выводов)

 

PA73

60

5

2,6

5

67

 

PA74

40

5 (2 канала по 2,5 А)

1,4

40

36/60

 

PA74A

40

6 (2 канала по 3 А)

1,4

40

36/60

 

PA75

40

3 (2 канала по 1,5 А)

1,4

10

19/28

TO-220 (7 выводов), DDPAK (7 выводов)

 

PA76

40

5 (2 канала по 2,5 А)

1,4

40

36/60

TO-3 (8 выводов)

 

PA76A

40

6 (2 канала по 3 А)

1,4

40

36/60

 

PA78DK

350

0,15

350

2,5

23

PSOP (20 выводов)

Высокоскоростной

PA79DK

350

0,15

350

2,5

26

 

PA81J

150

0,03

20

8,5

11,5

TO-3 (8 выводов)

 

PA82J

300

0,015

20

8,5

11,5

 

PA83

300

0,075

30

8,5

17,5

 

PA84

300

0,04

180

7,5

17,5

Высокоскоростной

PA85

450

0,2

1000

25

30

 

PA88

450

0,1

30

2

15

 

PA89

1200

0,075

30

6

40

MO-127 (12 выводов)

 

PA90

400

0,2

300

14

30

POWER SIP (12 выводов)

Высокоскоростной

PA91

450

0,2

300

14

30

 

PA92

400

4

50

14

80

 

PA93

400

8

50

14

125

 

PA94

900

0,1

700

24

30

POWER SIP (8 выводов)

Высокоскоростной

PA95

900

0,1

30

2,2

30

 

PA96

300

1,5

250

18

83

TO-3 (8 выводов)

Высокоскоростной

PA97

900

0,01

8

1

5

SIP-7

 

PA98

450

0,2

1000

25

30

POWER SIP (12 выводов)

Высокоскоростной

PA107DP

200

5

3000

35

60

PA119CE

80

4

900

120

78

TO-3 (8 выводов)

PA162DK

40

4 (4 канала по 1 А)

1,4

20

45

PSOP (20 выводов)

 

PA340CC

350

0,12

30

2,2

14

DDPAK (7 выводов)

 

PA341CE

350

0,12

30

2,2

12

TO-3 (8 выводов), PSOP (24 вывода), SIP-10

 

PA343DF

350

0,24 (2 по 0,12 А)

30

2,2

12

PSOP (24 вывода)

 

MP38CL

200

7

63

24

125

DIP-30

 

MP38CLA

200

8

63

24

125

 

MP39CL

100

10

10

24

125

 

MP39CLA

100

11

10

24

125

 

MP103FC

200

15

180

26

54

DIP-42

Высокоскоростной

MP108FDA

200

11

170

65

100

DIP-34

MP108FD

200

10

170

65

100

MP111FD

100

15

130

157

170

MP400

50

0,2

350

2,5

14,2

DIP-42

PB50

200

2

100

25

35

TO-3 (8 выводов)

Высокоскоростной, усилитель мощности

PB51

300

1,5

100

18

83

POWER SIP (12 выодов)

PB58

300

1,5

250

35

70

TO-3 (8 выводов)

PB63

175

2

1000

20

35

POWER SIP (12 выводов)

На рис. 1 представлены доступные в настоящее время ОУ Apex, отдельно отмечены быстродействующие усилители и усилители мощности. Разделение на различные типы достаточно условное. Так, например, усилитель PA85 с выходным напряжением 450 В и скоростью нарастания выходного напряжения 1000 В/мкс можно отнести и к высоковольтным, и к быстродействующим. Поэтому окончательный выбор необходимо делать, исходя из технических характеристик изделия, требуемых для решения конкретной задачи.

Матрица операционных усилителей Apex Microtechnology

Рис. 1. Матрица операционных усилителей Apex Microtechnology

Мощные ОУ характеризуются высокой экономичностью (малый ток покоя), широким диапазоном напряжений питания, высоким значением выходного тока, высокой линейностью (работа в классе АВ). Для разработчиков доступны микросхемы с четырьмя уровнями качества, которые определяются исходя из диапазона рабочих температур и перечня квалификационных испытаний. В соответствии с этим все усилители делятся на высоко­надежные, коммерческого, промышленного и военного применения. Вся продукция изготавливается на одних и тех же производственных линиях. Основные области их применения — высоковольтная аппаратура:

  • системы электростатического отклонения;
  • электростатические преобразователи;
  • программируемые источники питания;
  • питание систем пьезоэлектрического позиционирования;
  • управление приводами бортовой и наземной аппаратуры.

Значительный сегмент линейки мощных ОУ изготавливается в герметичных корпусах (рис. 2). Их отличительной особенностью является использование встроенного медного радиатора для улучшения теплоотвода.

Внешний вид применяемых корпусов

Рис. 2. Внешний вид применяемых корпусов

Рассмотрим основные виды предлагаемых ОУ, их основные характеристики и области применения. Итак, линейка мощных операционных усилителей Apex состоит из компонентов следующих типов:

  • высоковольтные усилители;
  • сильноточные усилители;
  • быстродействующие усилители;
  • усилители мощности.

Высоковольтные усилители

Большинство ОУ общего назначения рассчитано на напряжение питания до ±15 В. Однако таких напряжений недостаточно для управления пьезоэлектрическими преобразователями, создания мощных усилителей звуковых частот, высоковольтных генераторов тока или оборудования для тестирования приборов. Для этой цели и предназначены высоковольтные ОУ с полным диапазоном напряжения питания более 100 В при однополярном подключении (или более ±50 В при двуполярном). Старший представитель линейки высоковольтных усилителей PA89 и вовсе отличается рекордными показателями 1200 В (или ±600). Рассмотрим его подробнее. PA89 — сверхвысоковольтный гибридный усилитель с максимальным выходным током 75 мА (100 мА в импульсе) и выходным пиковым напряжением свыше 1000 В (при включении двух PA89 по мостовой схеме свыше 2000 В). Максимальная рассеиваемая мощность 40 Вт (без радиатора при +25 °С), входное дифференциальное напряжение ±25 В, ток покоя не более 6 мА, диапазон рабочих температур –55…+125 °С [3]. Высокая точность достигается благодаря применению каскадной входной цепи и коэффициенту усиления 120 дБ (без обратной связи). Выходной каскад на полевых транзисторах работает в классе АВ. Все внутренние смещения усилителя скомпенсированы встроенными источниками тока на зенеровских полевых транзисторах, что обеспечивает широкий диапазон питающих напряжений с низким уровнем пульсаций.

Усилитель отличается гибкостью применения: при помощи внешних цепей компенсации можно регулировать полосу пропускания и скорость нарастания выходного напряжения. При соответствующем подборе ограничительного резистора усилитель используется со всеми видами нагрузок. PA89 изготавливается в герметичном, электрически изолированном корпусе MO-127, для гарантии долговременной надежности все компоненты проходят 100%-ное тестирование на соответствие требованиям военных стандартов. Использование при производстве гибридной интегральной схемы толстопленочных резисторов, керамических конденсаторов и полупроводниковых микросхем, расположенных на подложке из оксида бериллия (BeO), минимизирует размер и повышает эффективность. Сваренные ультразвуком алюминиевые проводники обеспечивают надежное соединение для всего диапазона рабочих температур. После окончания внутреннего монтажа каждая ИС подвергается начальным электрическим и тепловым испытаниям с целью выявления ранних отказов.

Типовым применением этой микросхемы является управление пьезопреобразователя­ми (рис. 3). Для повышения выходного напряжения в два раза без увеличения тока усилители включаются по мостовой схеме, при этом появляется возможность подавать на пьезоэлемент пиковое напряжение ±1000 В.

Типовое применение усилителей PA89

Рис. 3. Типовое применение усилителей PA89

Усилители с высоким выходным током

К сильноточным относятся приборы, обеспечивающие выходной ток 1–50 А. Основные сферы их применения следующие: драйверы линейных и роторных электродвигателей; управление различными исполнительными механизмами; программируемые источники питания; магнитные системы отклонения (в том числе высокоскоростные); регуляторы мощности переменного и постоянного тока и т. д. В настоящее время Apex Microtechnology производит 37 моделей усилителей, способных удовлетворить требования приложений, где необходим выходной ток свыше 1 А. Среди гибридных усилителей наибольшим выходным током в 50 А обладают модели PA50A и PA52A [4]. Они имеют одинаковые показатели скорости нарастания выходного напряжения (50 В/мкс) и рассеиваемой мощности (400 Вт), отличаются же напряжением питания (100 В у PA50A и 200 В у PA52A). Данные усилители предназначены для использования в тестирующем оборудовании, применяемом при производстве полупровод­ников.

Стоит обратить внимание и на PA03 — усилитель с максимальным значением рассеиваемой мощности до 500 Вт. Микросхема с выходным током 30 А и напряжением питания 150 В, выпускаемая в герметически изолированном корпусе MO-127, обладает превосходной теплопроводностью и наличием функции удаленного контроля [5]. Встроенная цепь ограничения выходного тока (на уровне 35 А) и температурный датчик обеспечивают надежное функционирование в области устойчивой работы (SOA). Входная цепь реализована на основе высокоэффективных полевых транзисторов, изготовленных с применением лазерной подгонки, выходной каскад содержит защитные диоды с быстрым восстановлением. Типовая схема подключения приведена на рис. 4.

Типовое применение усилителя PA03

Рис. 4. Типовое применение усилителя PA03

Быстродействующие усилители

Согласно классификации Apex Micro­technology, под высокоскоростными ОУ будем понимать те усилители, скорость нарастания выходного напряжения которых превышает 100 В/мкс. Для разработчиков доступны 18 моделей со скоростями от 100 до 3000 В/мкс, напряжениями питания 80–900 В и низким уровнем выходного шума. Старшей моделью в линейке быстродействующих мощных усилителей Apex Microtechnology является PA107DP [6]. Данный усилитель предназначен для управления резистивной, емкостной и индуктивной нагрузками, может работать от источника питания с напряжением до 200 В, характеризуется широкой полосой пропускания 180 МГц и выходным током 1,5 А (до 5 А в импульсе). Для получения хорошей линейности выходной каскад работает в классе AB. PA107DP хорошо подходит как для управления пьезопреобразователями в медицинском ультразвуковом оборудовании, так и для изготовления программируемых источников питания, используемых в автоматическом испытательном оборудовании (рис. 5). Микросхемы выпускаются в корпусе PowerSIP, занимающем на печатной плате площадь не более 5 см2, для обеспечения SOA необходимо использовать радиатор.

Типовая схема подключения усилителя PA107DP

Рис. 5. Типовая схема подключения усилителя PA107DP

Усилители мощности (серия PB)

Для увеличения выходной мощности предназначены компоненты серии PB. Данная группа продукции представляет собой мощные широкополосные буферные усилители с высокой скоростью нарастания выходного напряжения до 1000 В/мкс, используемые с целью достижения минимального выходного сопротивления усилителя или для корректной работы на нагрузку с высокой емкостью. Возможность соединения ОУ данной серии с малосигнальными ОУ общего назначения, выбранными на усмотрение разработчика, обеспечивает гибкость применения, позволяя производителям настраивать характеристики схемы в соответствии с требованиями, предъявляемыми к конечным решениям. Полученный в результате составной усилитель обладает оптимальной точностью, входным шумом, временем установки рабочего режима, высокой выходной мощностью и делает возможным выполнение разработки без применения более дорогих линеек изделий.

Серия PB представлена четырьмя компонентами, предназначенными для применения в высоковольтном измерительном оборудовании, источниках питания и электростатических преобразователях. PB50, рассчитанный на напряжение питания 200 В, выходной ток до 2 А и скорость нарастания напряжения 50 В/мкс, изготавливается в герметичном 8-выводном корпусе TO-3 [7]. Максимальной выходной мощностью обладают PB51 и PB58 с выходным током 1,5 А и напряжением питания 300 В. Самый быстродействующий представитель серии — двухканальный усилитель мощности PB63 со временем нарастания 1000 В/мкс, доступный в 12-выводном корпусе PowerSIP. Усилитель PB63 работает при напряжениях питания от ±20 до ±75 В и способен долговременно обеспечивать выходной ток до 2 А. Его двухканальность позволяет создавать печатные платы с высокой плотностью размещения элементов в таких решениях, как сканирующие электронные микроскопы, пьезоэлектрические двигатели печатающих головок индустриальных струйных принтеров и программируемые БП испытательного оборудования полупроводников.

Типовая схема подключения буферного усилителя мощности PB58, охваченного совместно с обычным ОУ общей обратной связью, приведена на рис. 6. Усилитель РВ58 имеет простой входной каскад на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ, каскад усиления напряжения на МОП-транзисторе с общим истоком и выходной каскад на двух комплементарных МОП-транзисторах [8]. Коэффициент усиления РВ58 для обеспечения устойчивости и снижения нелинейных искажений ограничивается с помощью внутренней отрицательной обратной связи по напряжению. Изготовитель рекомендует устанавливать усиление в пределах 3–25 внешним резистором Rg. Резистор Rcl предназначен для токовой защиты, а конденсаторы Сf и Сc — для коррекции частотной характеристики.

Схема типового применения усилителя PB58

Рис. 6. Схема типового применения усилителя PB58

Также компанией предлагаются бескорпусные усилители серии  MP, выпускаемые с целью снижения стоимости продукции. В целом, общее снижение стоимости достигает 75% по сравнению с гибридными компонентами. В настоящее время доступны изделия с напряжением питания 50–200 В и током выхода до 15 А, предназначенные для работы в промышленном диапазоне рабочих температур и являющиеся хорошим выбором для решения задачи управления пьезоэлектрическим преобразователем. Максимальная рассеиваемая мощность достигает величины 170 Вт [9]. Многие приборы оснащены цепями защиты по питанию и защитой от термических перегрузок. Конструктивно модули выполнены в форм-факторе, соответствующем корпусам серии DIP (DIP-30, DIP-34 и DIP-42). Внешний вид на примере усилителя MP108 показан на рис. 7.

Внешний вид модуля MP108

Рис. 7. Внешний вид модуля MP108

Помимо вышерассмотренных компонентов производителем поставляются дополнительные пассивные принадлежности: радиаторы, рассчитанные и изготовленные для конкретных усилителей с целью соблюдения требуемых тепловых режимов работы; термические прокладки; гнездовые разъемы и зажимы. Предоставляемые таблицы выбора радиаторов, исходя из условий температурного сопротивления и применяемого корпуса, помогут провести верный расчет охлаждения.

Продукция компании характеризуется отличной технической поддержкой. Для разработчиков доступен полный комплект технической документации, руководства по применению, оценочные платы для разработки, программы расчетов параметров принципиальных схем и радиаторов, а также Spice-модели. Все это позволяет облегчить проектирование разрабатываемой схемы и ускорить вывод готового продукта на рынок. Помимо официального сайта, вся эта информация доступна для ознакомления на русскоязычном сайте www.apexmicrotech.ru.

 

Заключение

Компания Apex Microtechnology разработала уникальные по своим параметрам интегральные и гибридные сверхмощные ОУ для различных областей применения. Номенклатура каждого из семейств достаточно широка, чтобы выбрать изделие с требуемым значением ключевого параметра. Использование компонентов компании позволит разработчикам значительно сократить время на разработку, повысить надежность и снизить стоимость проекта в целом.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.