Contrôler et amplifier les hautes tensions de manière sûre et efficace avec l'amplificateur opérationnel haute tension approprié

Il existe de nombreuses applications qui requièrent des amplificateurs opérationnels pouvant fonctionner à haute tension (entre 60 V et 100 V) en raison de la nature de leur signal d'entrée ou des caractéristiques de la charge de sortie. Ces applications incluent les circuits d'attaque piézo dans les imprimantes 3D et à jet d'encre, ainsi que les transducteurs à ultrasons et d'autres dispositifs médicaux, les circuits d'attaque ATE et les sources de champs électriques.

Il ne s'agit pas d'amplificateurs opérationnels habituels, car ils doivent répondre à des exigences de vitesse de balayage face à des charges non résistives (inductives, capacitives) et nécessitent une alimentation étroitement régulée, et, une fois que la tension dépasse 60 V, le concepteur est soumis à des réglementations strictes et exigeantes. Selon l'application, il peut également y avoir de forts courants, ce qui entraîne des problèmes de gestion thermique.

Pour résoudre ces problèmes, il existe des amplificateurs opérationnels monolithiques et hybrides standard haute tension basés sur des processus spéciaux. Toutefois, leur sélection, leur conception et leur configuration requièrent une attention particulière pour atteindre de façon sûre et cohérente les objectifs de conception du système. Cet article étudie l'utilisation des amplificateurs opérationnels à plus haute tension (> 100 V) dans leurs applications uniques (mais étonnamment) courantes et explique comment les utiliser correctement.

Pourquoi a-t-on besoin de haute tension ?

Les applications représentatives des amplificateurs opérationnels haute tension sont nombreuses et variées. La plupart d'entre elles nécessitent à la fois une plus haute tension et un contrôle précis lorsqu'elles développent une version à gain de tension de leur signal d'entrée à tension plus basse. Dans la plupart des cas, il ne s'agit pas de signaux de marche/arrêt à plus haute tension, c'est pourquoi un amplificateur linéaire est requis plutôt qu'une fonction de commutation haute tension plus simple. Certaines de ces applications, qui nécessitent souvent une sortie bipolaire, incluent :

• Les circuits d'attaque piézo dans les imprimantes à jet d'encre, les transducteurs à ultrasons et les valves de mesure de débit de précision
• Les circuits d'attaque d'équipement de test automatique (ATE) utilisés pour l'exercice complet d'autres circuits intégrés, dispositifs hybrides et modules
• Les instruments scientifiques comme les compteurs Geiger
• Les diodes laser haute intensité des systèmes d'imagerie lidar automobiles
• Création de champs électriques souvent utilisés dans les tests biomédicaux sur les fluides

Une grande partie de ces systèmes fonctionnent, du moins en partie, à plus haute tension, mais ont des courants faibles à modestes (10 à 100 mA) et ne sont pas « haute puissance » dans le sens courant du terme. Ainsi, la conception consiste plus à contrôler et fournir la tension nécessaire qu'à gérer la chaleur générée.

Par exemple, un amplificateur opérationnel fournissant 100 V à 100 mA à une charge représente une demande modeste de 10 W de l'alimentation (en plus d'une puissance supplémentaire pour les pertes internes, généralement 20 % à 30 %). Bien qu'il ne s'agisse pas d'un scénario de micropuissance, ce n'est pas non plus une situation nécessairement difficile sur le plan thermique, car une grande partie de ces 10 W va vers la charge et ne se dissipe donc pas dans les composants électriques. Néanmoins, la dissipation thermique doit être prise en compte lors d'une étude de conception.

Plus en rapport avec l'amplification haute tension via un amplificateur opérationnel, voici quelques-uns des principaux problèmes rencontrés par les concepteurs :

• Choisir et utiliser un amplificateur opérationnel convenable
• Optimiser les performances du dispositif haute tension
• Fournir des rails haute tension CC pour l'amplificateur opérationnel, qui peuvent être les mêmes que l'alimentation de la charge
• S'assurer de la sécurité haute tension et respecter les exigences réglementaires en termes de configuration et de construction

Choisir et utiliser l'amplificateur opérationnel

Un amplificateur opérationnel haute tension diffère d'un amplificateur traditionnel. En général, un amplificateur fournit un gain de puissance à une certaine combinaison de tension et de courant, et habituellement dans une charge résistive. À l'inverse, un amplificateur opérationnel est configuré pour augmenter la tension, tout en fournissant un courant maximum spécifié à la charge. En outre, l'amplificateur opérationnel peut être configuré pour un gain fixe ou ajustable, et utilisé pour une variété de topologies en plus du « simple » bloc gain-tension.

Historiquement, la plupart des processus de circuits intégrés utilisés pour les fonctions linéaires, comme les amplificateurs opérationnels, étaient limités à une tension jusqu'à environ 50 V. Pour créer un amplificateur opérationnel à plus haute tension, les concepteurs ont ajouté des transistors haute tension externes discrets à la sortie pour servir de survolteurs. L'utilisation de l'amplificateur opérationnel JFET de précision LT1055 d'Analog Devices dans un circuit avec des transistors élévateurs complémentaires pour fournir ±120 V est illustrée à la Figure 1.

Figure 1 : Une approche pour produire des sorties d'amplificateur opérationnel à plus haute tension consiste à ajouter des transistors élévateurs complémentaires à un dispositif basique, comme le LT1055 d'Analog Devices, pour tirer parti des caractéristiques de sortie de l'amplificateur opérationnel. Cette conception fait passer la sortie à ±120 V. (Source de l'image : Analog Devices)

Bien que ce dispositif fonctionne, il présente l'inconvénient d'une nomenclature plus compliquée et coûteuse, comparée au circuit intégré seul, et pose des problèmes inévitables de configuration. Il est également difficile d'atteindre et de maintenir des performances symétriques entre les excursions de sortie positives et négatives, tout en minimisant la distorsion par le point de passage par zéro. Ces problèmes sont généralement le résultat de composants qui ne correspondent pas (essentiellement les transistors NPN et PNP) et d'un déséquilibre dans la configuration physique.

Le choix d'un amplificateur opérationnel haute tension commence par l'évaluation des paramètres qui sont similaires à ceux de n'importe quel amplificateur opérationnel, même si, bien sûr, les nombres spécifiques différeront. Le processus est en quelque sorte simplifié, étant donné qu'il existe relativement peu d'offres haute tension. Les éléments de conception à prendre en compte comprennent trois domaines principaux :

1. Les principaux facteurs sont la tension de sortie, le courant de sortie, la bande passante, la vitesse de balayage et les performances unipolaires par rapport aux performances bipolaires.
2. D'autres préoccupations concernent les limitations de la vitesse de balayage et le type de charge, ainsi que les erreurs de dérive liées à la température, qui peuvent apparaître dans la forme d'onde de sortie.
3. Enfin, il existe des problèmes de protection contre les surcharges thermiques, l'excès de courant et d'autres facteurs qui peuvent affecter tous les amplificateurs.

Repousser les limites

Les concepteurs doivent déterminer les amplificateurs opérationnels haute tension qui, non seulement, répondent aux critères obligatoires de premier ordre, mais qui présentent également des spécifications d'erreur suffisamment faibles pour répondre aux critères, ainsi que ceux qui offrent une protection intégrée suffisante ou qui peuvent s'adapter à une protection externe comme la limitation de courant.

L'adaptation des performances d'un dispositif qui répond presque à toutes les exigences nécessite du discernement. Par exemple, le « meilleur » amplificateur opérationnel disponible n'est parfois pas à la hauteur en ce qui concerne l'un des facteurs, comme l'instabilité lors de la commande d'une charge capacitive ou une capacité de courant de sortie suffisante, ou encore une dérive excessive liée à la température. Le concepteur doit alors se décider entre rechercher un autre amplificateur opérationnel, qui peut avoir un défaut différent, ou choisir le meilleur et accroître par la suite ses performances.

Voici quelques exemples pour illustrer cette situation délicate :

Charges capacitives : L'ADHV4702-1 d'Analog Devices est un amplificateur opérationnel de précision haute tension (Figure 2). Le dispositif peut fonctionner à partir d'une double alimentation symétrique de ±110 V, d'une alimentation asymétrique ou d'une alimentation simple de +220 V, et peut fournir des tensions de sortie comprises entre ±12 V et ±110 V jusqu'à 20 mA.

Son gain en boucle ouverte (A_OL) de 170 décibels (dB) est un facteur clé de ses performances élevées. Il peut facilement commander des charges capacitives modestes, mais au fur et à mesure que cette charge augmente, les pôles de sa fonction de transfert se déplacent, ce qui l'oblige à afficher une pointe de sortie et une éventuelle instabilité due à une marge de phase réduite.

Les concepteurs d'amplificateurs opérationnels ont trouvé une solution à ce problème. L'ajout d'une résistance série entre la sortie et la broche C_Load permet de commander des charges supérieures à 1 microfarad (µF) (Figure 2).

Figure 2 : Le placement d'une résistance série (R_S) entre la sortie de l'amplificateur et C_LOAD permet à l'ADHV4702-1 de commander des charges capacitives supérieures à 1 μF. (Source de l'image : Analog Devices)

Cependant, l'ajout de cette résistance peut engendrer une pointe de charge modeste (Figure 3).

Figure 3 : R_S par rapport à C_LOAD pour une pointe maximale de 2 dB pour le circuit de la Figure 2 à gain unité, tension d'alimentation de ±110 V et V_OUT = 100 V_p-p. (Source de l'image : Analog Devices)

Si même 2 dB représente une pointe de charge excessive pour l'application, l'ADHV4702-1 peut prendre en charge une compensation externe via un condensateur placé entre la broche de compensation et la terre. En choisissant correctement la résistance et le condensateur, il est possible de garantir la stabilité des charges capacitives avec une réponse presque plate sur l'intégralité de la bande passante (Figure 4).

Figure 4 : Réponse en fréquences en petits signaux par rapport à la compensation externe pour l'ADHV4702-1 à gain unité, tension d'alimentation de ±110 V, V_OUT = 100 V_p-p, R_f = 0 Ω et C_COMP = 5,6 picofarads (pF). (Source de l'image : Analog Devices)

Plus d'attaque de courant de sortie : L'amplificateur opérationnel OPA454AIDDAR de Texas Instruments fournit ±5 V à ±50 V à partir d'une alimentation simple de 10 V à 100 V, respectivement. C'est la moitié de la tension nominale de sortie de l'ADHV4702-1 (100 V contre 200 V), mais il a une attaque de courant plus de deux fois supérieure (50 mA contre 20 mA). Toutefois, cette quantité de réception/génération de courant supplémentaire peut ne pas suffire pour certaines charges, surtout si la charge comprend de plus petites charges en parallèle.

Voici deux options pour remédier à ce problème pour l'OPA454. Premièrement, deux OPA454AIDDAR (ou plus) peuvent être connectés en parallèle (Figure 5).

Figure 5 : Le placement de deux amplificateurs opérationnels OPA454AIDDAR en parallèle augmentera linéairement leur capacité de courant de sortie. (Source de l'image : Texas Instruments)

L'amplificateur A1 agit comme amplificateur maître et peut être configuré pour toute configuration d'amplificateur opérationnel, pas uniquement comme unité gain basique. L'amplificateur A1, qui peut être simple ou multiple, est de type esclave. Il est configuré comme un séparateur gain unité qui suit la sortie de l'A1, tout en ajoutant un courant d'attaque supplémentaire.

Pour obtenir plus de courant qu'un amplificateur simple ou que plusieurs esclaves peuvent fournir, une autre option consiste à utiliser des transistors élévateurs de courant de sortie externes (Figure 6).

Figure 6 : Une variante à la mise en parallèle de dispositifs OPA454 consiste à utiliser des transistors de sortie externes. Cela permet d'atteindre un courant de sortie encore plus élevé. Ici, ils élèvent le courant de sortie à plus de 1 A. (Source de l'image : Texas Instruments)

Grâce aux transistors illustrés, la configuration peut fournir plus de 1 A. Cependant, contrairement à l'utilisation d'amplificateurs opérationnels OPA454 supplémentaires, il est possible que la paire de transistors complémentaires ne fournisse pas le niveau de performances et de linéarité sans distorsion exigé. Si ce courant plus élevé est nécessaire et que les transistors sont la solution privilégiée, des paires de transistors correspondants et complémentaires PNP/NPN peuvent être requises.

Coefficient de température (tempco) et dérive : Comme avec tous composants analogiques, le coefficient de température affecte les performances et la précision, et la dérive de température de décalage d'entrée (dV_OS/dT) fera partie de la sortie amplifiée. Pour l'OPA454, les spécifications dV_OS/dT sont plutôt faibles à ±1,6 μV/°C (standard) et ±10 μV/°C (maximum) au-dessus de la plage de températures ambiantes de -40°C à +85°C.

Si ce nombre est trop élevé, l'ajout d'un amplificateur opérationnel dit à « dérive nulle » en tant que préamplificateur en amont de l'OPA454 haute tension réduira la dérive globale (Figure 7). Lorsque l'OPA735 de Texas Instruments est placé en tant que préamplificateur à dérive nulle, le coefficient de température de l'amplificateur haute tension peut être maintenu à une dérive de 0,05 μV/°C (maximum) pour le premier étage, offrant un facteur de réduction de 200.

Figure 7 : L'ajout d'un amplificateur opérationnel OPA735 à dérive quasi nulle dans le chemin d'entrée de l'OPA454 permet d'obtenir un circuit haute tension à deux étages avec une dérive de température de décalage d'entrée très faible. (Source de l'image : Texas Instruments)

Problèmes thermiques et protection

Même si les niveaux de courant sont modestes, la dissipation interne due à de plus hautes tensions peut poser problème, suivant l'équation puissance = tension × courant. La modélisation thermique est essentielle, à commencer par l'équation fondamentale de la température de jonction : T_J = T_A + (P_D × Θ_JA), où T_J représente la température de jonction, T_A la température ambiante, P_D la dissipation de puissance et Θ_JA la résistance thermique du boîtier à la température ambiante. Cette dernière est déterminée par les techniques de montage et par l'environnement, notamment la dissipation thermique, le débit d'air et le cuivre des cartes à circuit imprimé.

En reconnaissant l'importance et la présence de la chaleur générée, les circuits intégrés comme l'OPA454 et l'ADHV4702-1 intègrent des circuits de blocage thermique. Par exemple, les circuits dans l'OPA454 déclenchent le blocage thermique automatique dès que la sortie passe à un état d'impédance élevée, lorsque la température interne du dispositif atteint 150°C. Le blocage thermique est maintenu jusqu'au refroidissement à 130°C, température à laquelle les circuits se remettent sous tension. Cette hystérésis prévient l'oscillation marche/arrêt de la sortie autour d'une limite thermique.

Les limites de dissipation ne dépendent pas seulement de la puissance statique de sortie ; elles sont aussi affectées par la fréquence de fonctionnement et la vitesse de balayage, ce qui peut entraîner un réchauffement excessif de l'étage de sortie. Il est essentiel d'étudier les graphiques d'aire de sécurité pour toute commande de ce type, en commençant par l'aire de sécurité statique de l'ADHV4702-1 (Figure 8).

Figure 8 : Il est essentiel d'étudier les graphiques d'aire de sécurité. L'aire de sécurité CC de l'ADHV4702-1 est représentée par l'aire sous les courbes, à des températures ambiantes comprises entre 25°C et 85°C, avec un gain de 20 V et une alimentation de ±110 V. (Source de l'image : Analog Devices)

L'aire de sécurité dynamique est également une préoccupation. L'ADHV4702-1 est doté d'un circuit élévateur interne de vitesse de balayage pour atteindre sa bande passante en petits signaux de 19 mégahertz (MHz) et une vitesse de balayage de 74 V/microseconde (µs), mais ce circuit élévateur peut consommer une quantité plus importante de courant selon le signal. Pour cette raison, il est possible d'utiliser des diodes externes avec l'ADHV4702-1 pour limiter cette tension d'entrée différentielle (Figure 9).

Figure 9 : Les diodes externes à l'entrée de l'ADHV4702-1 protégeront le dispositif des effets thermiques du courant élevé du circuit élévateur, en limitant sa tension d'entrée différentielle. (Source de l'image : Analog Devices)

Cela protège l'amplificateur en fonctionnement dynamique, mais limite la vitesse de balayage et la bande passante en grands signaux, limitant ainsi le courant produit par le circuit élévateur de balayage et réduisant la dissipation de puissance interne (Figure 10).

Figure 10 : Aire de sécurité dynamique à des températures ambiantes comprises entre 25°C et 85°C, avec et sans diodes de fixation de niveau, dans les mêmes conditions que l'aire de sécurité statique. (Source de l'image : Analog Devices)

Tous les circuits d'attaque haute tension n'incluent pas une protection thermique, car l'aire de sécurité large rend le circuit interne trop restreint. Par exemple, le PA52 d'Apex Microtechnology est un amplificateur haute puissance et haute tension qui peut fournir jusqu'à 40 A (continu) / 80 A (crête) à une vitesse de balayage de 50 V/µs, avec une excursion de tension unipolaire ou bipolaire de 200 V. Comme les niveaux de dissipation peuvent être élevés, le graphique d'aire de sécurité de ce dispositif est un élément essentiel de la conception du système, qui couvre à la fois les modes CC et pulsés (Figure 11).

Figure 11 : L'aire de sécurité pour un amplificateur haute tension (±100 V) et à fort courant (80/40 A), comme le PA52 d'Apex Microtechnology, varie sur une plage étendue selon qu'il fonctionne en régime permanent ou en mode pulsé. (Source de l'image : Apex Microtechnology)

Pour le PA52, les concepteurs voudront certainement ajouter une résistance de détection de courant haut potentiel externe entre la sortie et la charge pour mesurer le courant de sortie et évaluer ainsi la puissance. La taille de la résistance implique toujours un compromis entre une valeur de résistance élevée et une valeur de résistance plus faible. Une résistance plus élevée offre un plus grand signal et un rapport signal/bruit (SNR) plus important, tandis qu'une résistance plus faible limite l'autodissipation de la résistance et la réduction de la puissance de sortie fournie.

Pour commencer, il est conseillé de choisir la valeur de la résistance afin que la tension qui la traverse soit de 100 mV à un courant de charge maximum. De plus, le circuit de détection devra être compatible avec les hautes tensions de mode commun. Dans la plupart des cas, un circuit de détection isolé est nécessaire pour plusieurs raisons : l'intégrité du signal détecté, la protection du reste des circuits et la sécurité de l'utilisateur.

Problèmes d'alimentation et de réglementation

Un amplificateur haute tension est bien plus qu'un simple schéma et une nomenclature, car les détails de sa configuration physique deviennent essentiels. Pour les circuits fonctionnant au-dessus d'environ 60 V, il existe des problèmes et des normes de sécurité d'implémentation (la valeur réelle dépend de l'application finale et du pays ou de la région). Pour ces conceptions à plus haute tension, les utilisateurs doivent décider comment séparer les plus hautes tensions des plus basses et plus sécurisées. Le processus peut impliquer un ou plusieurs moyens mécaniques comme des barrières, des verrous, un isolement ou un espacement.

En outre, la configuration doit répondre à des exigences réglementaires en ce qui concerne la fuite en surface minimum et les dimensions de dégagement pour les composants et les pistes de circuits, afin d'éviter la formation d'arc et le contournement. Ces dimensions dépendent de la tension et de l'environnement de fonctionnement anticipé (humidité et poussière par rapport à un environnement sec et propre). Il peut être judicieux d'avoir recours à un consultant expert dans ces domaines, car les normes sont compliquées et comportent de nombreuses subtilités, tandis que le processus d'approbation officiel requiert des analyses de la configuration, de la construction, des matériaux et des dimensions de la conception, ainsi que d'un modèle de démonstration à tester.

Sur le principe, une alimentation CA/CC ou CC/CC basse à haute tension est simple et peut être créée à l'aide d'un redresseur à deux alternances (pour CA) avec un circuit multiplicateur de tension composé de diodes et de condensateurs. Cependant, il existe de nombreux problèmes pratiques dans les conceptions d'alimentations haute tension, comme la garantie que ces dispositifs passifs possèdent les tensions nominales adéquates.

Même le placement de l'alimentation pose problème. Pour les applications qui ont seulement une alimentation basse tension (de l'ordre de quelques dizaines de volts ou moins), il peut être judicieux de faire passer des fils à plus basse tension dans un multiplicateur de tension bloqué, situé près des fonctions de l'amplificateur opérationnel haute tension. Cependant, la consommation de courant à plus basse tension entraîne une chute supplémentaire du courant et de la résistance (IR) et une perte de puissance I²R dans ces fils, ce qui peut contrebalancer les avantages de la séparation. L'autre option consiste à faire passer des fils haute tension pour la distance, en réduisant ainsi la perte, mais en ajoutant des contraintes de sécurité et de réglementation.

Acheter ou fabriquer

Quel que soit le placement, sauf si l'équipe de conception s'y connaît et a de l'expérience, il est souvent pertinent d'acheter l'alimentation haute tension plutôt que de tenter de la concevoir et de la construire. Il existe de nombreuses complexités avec ces alimentations et il est difficile d'obtenir la certification. Une alimentation ne se contente pas de prendre une tension d'entrée et de la transformer en une tension de sortie désirée :

• Elle doit être précise et stable.
• Elle doit répondre aux objectifs de performances transitoires et d'ondulation.
• Elle doit intégrer plusieurs fonctionnalités de protection et de blocage.
• Elle doit respecter les normes en matière d'interférences électromagnétiques.
• Elle doit également être dotée d'un isolement galvanique.

De nombreuses alimentations haute tension sont disponibles, de modèles à faible courant jusqu'aux modèles pouvant fournir plusieurs ampères ou plus. Par exemple, le FS02-15 de la division EMCO haute tension de XP Power est un module haute tension isolé monté sur une carte à circuit imprimé (Figure 12). Il mesure 57 mm (longueur) × 28,5 mm (largeur) × 12,7 mm (hauteur), fonctionne à partir d'une alimentation CC de 15 V et fournit 200 V (±100 V) à 50 mA. Le module répond à toutes les exigences en matière de performances et de réglementation, tout en intégrant les fonctionnalités désormais standard et attendues dans une alimentation riche en fonctionnalités.

Figure 12 : Les alimentations prêtes à l'emploi comme le FS02-15 de XP Power, qui fournit ±100 V à 50 mA à partir d'un rail d'alimentation de 12 V, éliminent les problèmes de conception et de réglementation associés à la fourniture sécurisée d'une alimentation isolée pour les amplificateurs opérationnels haute tension. (Source de l'image : XP Power)

Conclusion

Le recours à des amplificateurs opérationnels haute tension est nécessaire dans de nombreux systèmes électroniques couvrant l'instrumentation, la médecine, la physique, les transducteurs piézoélectriques, les diodes laser et bien plus. Bien que les concepteurs puissent se tourner vers des amplificateurs opérationnels compatibles avec ces tensions, leurs caractéristiques et leurs limites doivent être clairement comprises étant donné les implications thermiques, réglementaires, sécuritaires et de performances pour un fonctionnement > 100 V.