[RAQ] Niskonapięciowy wzmacniacz operacyjny w roli bufora wysokiego napięcia dzięki układowi bootstrap

Artykuł prezentuje projekt bufora sygnałów o wysokich napięciach. Układ wykonano z wzmacniacza operacyjnego LTC6240 z dodanym układem bootstrap. W artykule zaprezentowano także sposób pomiaru parametrów bufora.

Pytanie:

Czy można przerobić wzmacniacz niskonapięciowy na wysokonapięciowy bufor z użyciem układu bootstrap?

Odpowiedź:

Tak, możesz użyć wzmacniacza operacyjnego i rozbudować go, by uzyskać szerszy zakres napięć, lepszą dokładność wzmocnienia, większy slew-rate, a także mniejsze zniekształcenia sygnału.

Projektowałem obwód wejściowy precyzyjnego woltomierza i potrzebowałem wzmacniacza/bufora o następujących parametrach: wzmocnienie równie 1, prąd wejściowy na poziomie poniżej 1 pA, szum na niskich częstotliwościach poniżej 1 µV p-p, niskie napięcie niezrównoważenia – ok. 100 µV, a także nieliniowość poniżej 1 ppm. Poza tym musiał mieć bardzo niskie zniekształcenia w paśmie audio oraz na częstotliwości 60 Hz, by móc wykorzystać pełną rozdzielczość przetwornika ADC. To już bardzo ambitne wymagania, a dodatkowo wzmacniacz miał buforować sygnały ±40 V używając zasilania ±50 V. Wejście bufora miało być podłączone do dzielnika o wysokiej impedancji lub bezpośrednio do mierzonego sygnału. W związku z tym wejście powinno być zabezpieczone przed wyładowaniami elektrostatycznymi oraz sygnałami poza zakresem pomiarowym.

Na rynku nie ma zbyt wiele wzmacniaczy o prądzie polaryzacji poniżej 1 pA. Te które są dostępne nazywane są wzmacniaczami elektrometrycznymi. Niestety, dostępne wzmacniacze elektrometryczne mają duży szum na niskich częstotliwościach (od 0,1 do 10 Hz), rzędu kilku mikrowoltów peek-to-peek. Wejściowe napięcie niezrównoważenia oraz współczynnik temperaturowy również nie spełniają wymagań projektu. Dodatkowo zbyt niskie są zarówno wzmocnienie w otwartej pętli, jak i tłumienie sygnału współbieżnego (CMRR). Na koniec, wzmacniacze elektrometryczne nie tolerują aż tak wysokich napięć zasilania.

Układ praktyczny

Rysunek 1 przedstawia uproszczony schemat wzmacniacza z układem bootstrap.

Rysunek 1. Podstawowy układ wzmacniacza z układem bootstrap

Wzmacniacz LTC6240 jest zasilany napięciem Vp, które jest właściwie sygnałem wyjściowym z dodaną składową stałą 5 V przepuszczonym przez wtórnik. Drugim biegunem zasilania jest napięcie Vm, które również podąża za wyjściem układu, ale składowa stała wynosi tu -5 V.

Bieguny zasilania podążają za sygnałem wejściowym buforowanym przez układ LTC6240, co sprawia, że właściwie nie istnieje problem błędu spowodowanego wejściowym sygnałem współbieżnym. Nawet nie najlepszy współczynnik CMRR wzmacniacza jest w tym układzie powiększany o co najmniej 30 dB. Ta wartość wynika ze skończonej dokładności wzmocnienia buforów Vm i Vp.

W podobny sposób wzrasta wzmocnienie w otwartej pętli układu LTC6240. W układach wzmacniacza wzmocnienie ograniczane jest, gdy między szyną zasilania i wewnętrznymi węzłami zasilania znajduje się impedancja wyjściowa tranzystora. Gdy szyny zasilania są podłączone do wyjścia przez układ bootstrap, przez omawianą impedancję przepływa bardzo niewielki prąd i wzmocnienie w otwartej pętli rośnie o podobne wartości co CMRR (30 dB). Tym niemniej, obciążenie wzmacniacza również ogranicza wzmocnienie w otwartej pętli.

Co mniej oczywiste, układ bootstrap poprawia również slew-rate. Zazwyczaj ten parametr jest ograniczony przez wewnętrzne prądy spoczynkowe wzmacniacza, a także kondensatory kompensujące połączone z zasilaniem. Kiedy zasilanie podąża za sygnałem wejściowym i wyjściowym, przez te kondensatory przepływa bardzo mały prąd, co sprawia, że wzmacniacz nie osiąga limitu slew-rate. Oczywiście wtórniki znacząco ograniczają ten parametr.

Wysokie napięcia zasilania (Vhvp i Vhvm) mogą przenosić zakłócenia, ale bufory wyjściowe znacząco je tłumią. Tym samym wzrasta również parametr PSRR wzmacniacza.

Możliwe problemy

A więc, wszystko wygląda pięknie. Dzięki bootstrapowi udało nam się poprawić wiele parametrów układu. Co może pójść nie tak? Otóż układ zaprezentowany na rysunku 1 prawie na pewno będzie się wzbudzać. Najlepiej wyobrazić to sobie w ten sposób: napięcie wyjściowe pomnożone przez odpowiedź częstotliwościową wzmacniacza buforowego, pomnożone przez 1/PSRR jest dodawane do sygnału wejściowego, wzmacniane przez wzmocnienie w pętli otwartej i staje się sygnałem wyjściowym. I tak w kółko. Rysunek 2a demonstruje współczynnik PSRR w funkcji częstotliwości.

Nie mamy danych o charakterystyce fazowej PSRR, ale powiedzmy że przesunięcie wynosi +90°. Tak, dokładnie +90°, tak jak w układzie różniczkującym. Charakterystyka wzmacniacza w otwartej pętli, pokazana na rysunku 2b, ma przesunięcie fazowe -90° w zakresie od niskich częstotliwości do 100 kHz, a następnie przesunięcie jest coraz bardziej ujemne. Bufory będą miały skończoną odpowiedź impulsową i również będą eksponować przesunięcie fazowe. Przy dodaniu wszystkich przesunięć w pętli sprzężenia zwrotnego mamy pewność, że na kilku częstotliwościach faza będzie równa 0° lub wielokrotność 360°. Jeśli na tych częstotliwościach wzmocnienie pętli będzie większe niż 1, powstanie oscylator.

Wydaje się, że PSRR spada do 4 dB (jest to tłumienie, więc 4 dB = 0,63 w skali liniowej), więc wygląda na to, że pętla nigdy nie będzie miała wystarczającego wzmocnienia, aby układ się wzbudził. Ale przecież PSRR dotyczy zarówno dodatniej jak i ujemnej gałęzi zasilania, co oznacza, że wielkości mogą się dodawać do wartości powyżej 1. Dodatkowo, bufory mogą mieć szczyt wzmocnienia przed gwałtownym spadkiem na wysokich częstotliwościach, co podwyższy ogólne wzmocnienie pętli powyżej 1. Zobaczymy także, że bufory będą musiały wysterować stosunkowo duże kondensatory oraz będą wprowadzały przesunięcia fazowe. W każdym przypadku symulacja w programie LTSpice pokazywała duże oscylacje (odpowiedź częstotliwościową i nieliniowości układu LTC6240 uwzględniono w modelu).

Rysunek 2. (a) Współczynnik PSRR układu LTC6240, (b) wzmocnienie w otwartej pętli LTC6240

O autorze

Pracował jako projektant analogowych układów scalonych – szybkich wzmacniaczy operacyjnych, źródeł napięć referencyjnych, układów sygnałów mieszanych, układów wideo, sterowników linii DSL, przetworników DAC, wzmacniaczy sample-and-hold, mnożników i wielu innych. Zdobył tytuł magistra inżyniera elektronika na Stanford University. Jest autorem ponad 20 patentów i przygotował wiele artykułów naukowych. Jego hobby to naprawa używanych przyrządów pomiarowych, gra na gitarze i projekty wykorzystujące Arduino.