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

Wyniki pomiarów

Wykorzystując układ zaprezentowany na rysunku 5, analizator widma wskazał następujące wyniki pomiarów zniekształceń: -81 dBc dla amplitudy 70 Vp-p, -82 dBc dla 50 Vp-p i 60 Vp-p oraz -86,5 dBc dla 16 Vp-p i 32 Vp-p. Wszystkie pomiary wykonywano dla częstotliwości 100 kHz.

Następnie zmierzono liniowość, dokładność wzmocnienia oraz zakres napięć wejściowych. Rysunek 6 prezentuje napięcie niezrównoważenia na wejściu bufora w funkcji napięcia wejściowego.

Każdy wzmacniacz o odpowiedniej charakterystyce można wyposażyć w układ bootstrap umożliwiający obsługę sygnałów o wysokim napięciu. Układy o niskim szumie oraz o bardzo małej składowej stałej mogą pracować przy sygnałach nawet o setkach woltów.

Rysunek 6. Napięcie niezrównoważenia w funkcji napięcia wejściowego dla obciążeń 50 kΩ i nieskończonego.

Multimetrom bardzo trudno jest wykryć zmiany poniżej miliwolta na tle sygnałów ±40 V, ale ponieważ mamy do czynienia z buforem, możemy podłączyć miernik między wejściem a wyjściem. Pozwoli nam to wykryć zmiany i użyć odpowiedniego zakresu czułości. Przykładowo, tłumienie składowej współbieżnej mojego multimetru pozwala uzyskać poniżej 1 µV błędu dla sygnału wejściowego ±40 V (dla potrzeb tego testu wejścia zwarto).

Nietypowy kształt wykresu jest spowodowany szumem na niskich częstotliwościach oraz przede wszystkim szumem termicznym. Wystarczy obecność człowieka w bliskiej odległości lub klimatyzacja w pokoju, by spowodować zakłócenia w układzie na poziomie mikrowoltów. Niestety nie dysponuję dobrą klatką Faraday’a, ani ekranem. Okryłem więc swoje układy ubraniami, co pozwoliło mi w pewnym stopniu zabezpieczyć się przed zmianami temperatury. Jednak nawet wtedy generowany jest szum 0,6 µV rms, który wpływa na wyniki pomiaru.

Niedokładności wzmocnienia

Na skutek szumu, na rysunku 6 (wykres zielony) można zaobserwować niedokładność wzmocnienia na poziomie ~0,03 ppm. To dobry rezultat. Nominalnie układ LTC6240 bez dołączonego układu bootstrap miałby niedokładność wzmocnienia na poziomie 5,6 ppm, a w najgorszym przypadku nawet 100 ppm z powodu błędów spowodowanych skończoną wartością współczynnika CMRR. Podczas obciążenia 50 kΩ (wykres fioletowy) można zauważyć niedokładność wzmocnienia równą -0,38 ppm. Niedokładność wzmocnienia jest równoważna dodatkowemu obciążeniu o wartości 0,02 Ω. Trudno powiedzieć skąd bierze się ta dodatkowa impedancja – może wynikać z prądów modulujących na szynach Vp i Vm przechodzących przez procesy tłumienia sygnału współbieżnego i ograniczenia wzmocnienia układu LTC6240. Może to być też po prostu rezystancja przewodów i płytki. W każdym razie, aby utrzymać precyzję wzmocnienia, połączymy pętlę sprzężenia zwrotnego LTC6240 z obciążeniem końcowym by rozdzielić czteropunktowe połączenie Kelwina.

Wyniki pomiarów w postaci wykresów

Rysunek 7 prezentuje małosygnałową odpowiedź impulsową.

Rysunek 7. Małosygnałowa odpowiedź impulsowa

Bardzo przepraszam za dzwonienie na kanale zielonym, czyli na wyjściu wzmacniacza wysokiego napięcia. Jest ono spowodowane kiepskiej jakości sondą oraz połączeniem masy między płytkami. Kanał żółty jest wyjściem bufora i dominuje w nim ekspotencjalne narastanie spowodowane filtrem Cin + Rin.

Rysunek 8 pokazuje wielkosygnałową odpowiedź impulsową z narastaniem na poziomie ±32 V/µs.

Rysunek 8. Wielkosygnałowa odpowiedź na pobudzenie z umiarkowanym narastaniem (slew-rate: ±32 V/µs)

Rysunek 9 prezentuje odpowiedź bufora na bardzo szybko narastający sygnał. Wyjście o amplitudzie 80 Vp-p i częstotliwości 100 kHz może obsłużyć narastanie o slew-rate maksymalnie 25 Vp-p.

Rysunek 9. Wielkosygnałowa odpowiedź na pobudzenie sygnałem o bardzo szybkim narastaniu (130 V/µs)

Warto zwrócić uwagę, że filtr wejściowy ogranicza szybkość narastania sygnału do wartości, którą może przetworzyć bufor. Szpiki widoczne w sygnale wejściowym oznaczają, że układ bootstrap nie jest w stanie nadążyć za sygnałem wyjściowym. Powoduje to przesterowanie wejścia podczas narastania i opadania sygnału. Redukcja pojemności Cin spowoduje jeszcze większy slew-rate sygnału na wejściu, układ bootstrap nie będzie nadążał w jeszcze większym stopniu i wejście będzie jeszcze bardziej przesterowane.

Wnioski

W artykule zaprezentowano metodę wytworzenia bufora wysokiego napięcia polegającą na dołączenie układu bootstrap do wzmacniacza niskiego napięcia. Wzmacniacz operacyjny rozbudowano, aby uzyskać szerszy zakres napięć, lepszą dokładność wzmocnienia, większy slew-rate, a także mniejsze zniekształcenia sygnału.

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.