Мощные операционные усилители компании Apex Microtechnology

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].

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.