Come vincere le sfide dell'erogazione di alta tensione analogica con un approccio bootstrap

Generare le centinaia di volt analogici spesso richiesti dalle apparecchiature di test automatico o dai sistemi di controllo di precisione è una vera e propria sfida. Gli amplificatori operazionali convenzionali non riescono a far fronte alle alte oscillazioni della tensione di uscita e le alternative rappresentate da amplificatori discreti richiedono un livello elevato di tweaking e occupano più spazio sulla scheda.

Esiste però anche un'altra opzione: eseguire il bootstrap di un amplificatore operazionale con uscita rail-to-rail ad alta tensione e una coppia di FET capaci di resistere a elevate tensioni di rottura.

Questo articolo descrive i problemi che presentano le alte tensioni analogiche e le soluzioni adottate per risolverli. Mostrerà poi come utilizzare un approccio bootstrap tramite un amplificatore di precisione ad alta tensione di Analog Devices e MOSFET ad alta tensione di Microchip Technology e Infineon Technologies.

Questi componenti serviranno a realizzare una soluzione di precisione e ad alte prestazioni che fornisce il doppio della portata nominale del segnale dell'amplificatore, pur continuando a garantire prestazioni più elevate con un ingombro minimo su scheda.

Opzioni di progettazione per alte tensioni analogiche

Alcune applicazioni richiedono oscillazioni della tensione di uscita superiori a quelle che possono generare gli amplificatori operazionali monolitici ad alta tensione. Progettare un amplificatore utilizzando dei transistor discreti è un modo per ottenere ampie oscillazioni di tensione. Questo approccio consente di personalizzare l'amplificatore in base a una specifica applicazione. Tuttavia, i progetti a transistor discreti utilizzano più componenti e aumentano il tempo e l'impegno del progettista. L'abbinamento dei dispositivi e dei gradienti di temperatura rende però difficile raggiungere la precisione in progetti discreti.

Un'alternativa all'amplificatore discreto ad alta tensione è data dal modulo amplificatore operazionale ad alta tensione. Questi moduli facilitano notevolmente il compito del progettista. Quello ad alta tensione è spesso un modulo ibrido che consente il funzionamento sia ad alta tensione che ad alta potenza. Rispetto ai progetti discreti, questi moduli hanno il vantaggio di avere prestazioni specificate in fabbrica. Va però detto che se da un lato queste specifiche riducono le attività di caratterizzazione del progettista, i moduli ibridi sono costosi. Nella maggior parte dei casi, gli amplificatori operazionali monolitici ad alta tensione riescono a soddisfare gran parte dei requisiti prestazionali di un progetto.

Quando però non ci riescono, il bootstrapping dell'alimentazione dell'amplificatore operazionale monolitico consente di scegliere anche tra centinaia di prodotti, estendendo l'alimentazione dell'amplificatore monolitico oltre le sue specifiche. Le strategie di bootstrapping richiedono uno sforzo maggiore, ma la soluzione è decisamente più economica rispetto ai moduli ad alta tensione. Questo è dovuto in gran parte al fatto che esistono moltissimi amplificatori operazionali monolitici con prestazioni sufficienti specificate in fabbrica. Tenere presente che il bootstrapping non influisce sulle specifiche c.c. dell'amplificatore, come l'offset di tensione, l'oscillazione della tensione di ingresso e quella della tensione di uscita.

Tecniche di bootstrapping dell'alimentazione

La configurazione del bootstrapping controlla le tensioni di alimentazione di un dispositivo rispetto alla sua tensione di uscita. Il circuito di bootstrap ha una coppia di transistor discreti e una rete di polarizzazione resistiva (Figura 1).

Figura 1: Schema semplificato del bootstrapping dell'inseguitore di alta tensione con tensioni di alimentazione del sistema fisse di +V_S e -V_S. Le tensioni di alimentazione del dispositivo V_CC e V_EE cambiano in base alla tensione di uscita, V_OUT. (Immagine per gentile concessione di Bonnie Baker, tratta da materiale gentilmente concesso da Analog Devices)

Molti amplificatori ad alta tensione eliminano la necessità di un alimentatore con bootstrap. Ad esempio, ADHV4702-1BCPZ da 10 MHz di Analog Devices riportato nella figura è un alimentatore da ±110 V sufficiente per la maggior parte delle applicazioni ad alta tensione. Se però il sistema richiede tensioni ancora più elevate, l'approccio bootstrap raddoppia facilmente l'intervallo di funzionamento di questo circuito.

Per eseguire il boostrap, il MOSFET a canale N IRFP4868PBF di Infineon Technologies è usato come Q₁. Questo dispositivo ha una tensione di rottura di 300 V e I_D max di 70 A. Q₂ è il MOSFET a canale P TP2435N8-G di Microchip Technology. Ha una tensione di rottura di 350 V.

Nella Figura 1, l'amplificatore di precisione ADHV4702-1 ha un intervallo della tensione di alimentazione tra ±12 V e ±110 V. Con una tensione di alimentazione di ±110 V, l'intervallo tipico della tensione di uscita è di ±108,5 V. Con ±V_S equivalente a ±300 V, questo circuito di bootstrap è la base per permettere a un amplificatore di raggiungere un'oscillazione dell'uscita di ±120 V o più.

Questo concetto di bootstrap, noto anche come "rail volanti", regola in modo continuo le tensioni di alimentazione dell'amplificatore in modo che siano simmetriche attorno alla sua tensione di uscita, V_OUT. Di conseguenza, l'uscita rimane entro l'intervallo di alimentazione. Nel circuito sottoposto a bootstrap dell'inseguitore, i divisori di tensione del resistore (R_BOT e R_TOP) mantengono costante a ±90 V la differenza tra V_CC e V_EE, mentre l'intervallo di uscita dell'amplificatore è di ±200 V. Una simulazione Spice illustra il fenomeno dell'alimentazione flottante (Figura 2).

Figura 2: Una simulazione Spice mostra il fenomeno dell'alimentazione flottante in cui l'alimentazione delta dell'amplificatore (differenza tra V_CC e V_EE) rimane a circa ±90 V, mentre l'intervallo di uscita dell'amplificatore è di ±200 V. (Immagine per gentile concessione di Bonnie Baker)

Nella Figura 2, V_OUT equivale a V_IN, R_TOP equivale a 45 kΩ e R_BOT equivale a 20 kΩ. R_TOP è il resistore più vicino alle alimentazioni esterne (+V_S e -V_S) e R_BOT è quello più vicino all'uscita dell'amplificatore operazionale (V_OUT). Tenere presente che nella Figura 2 le tensioni V_CC e V_EE si avvicinano a +V_S (300 V) e a -V_S (-300 V). Quando il segnale di uscita (V_OUT) forza V_CC o V_EE a +V_S o -V_S o oltre, si ha la distorsione del circuito.

Il bootstrapping fornisce un'elevata capacità di segnale per qualsiasi amplificatore operazionale. La velocità di variazione dell'amplificatore influenza tuttavia le prestazioni dinamiche di questa configurazione ad alta tensione. Nella Figura 1, la velocità di variazione dell'amplificatore operazionale limita la capacità di risposta di V_CC e V_EE a un segnale dinamico. Il bootstrapping degli amplificatori è più idoneo per applicazioni a bassa frequenza e in c.c. in cui le alimentazioni si muovono lentamente.

Implementazione della progettazione bootstrap

La progettazione bootstrap dell'alimentatore operazionale segue un processo in tre fasi:

1. Valutare il compromesso tra l'amplificatore e la potenza dissipata dal MOSFET
2. Determinare la massima oscillazione dell'uscita dell'amplificatore e assegnare la tensione di alimentazione dell'amplificatore
3. Tenere conto dei requisiti di potenza del resistore

Nella Figura 1, la potenza dissipata si divide tra l'amplificatore operazionale e il drain/source del MOSFET. L'amplificatore e il FET hanno un'alimentazione in tensione che rientra in uno specifico intervallo di funzionamento. Si potrebbe essere tentati di alimentare l'amplificatore con tensioni più basse, ma questo potrebbe provocare delle sollecitazioni al MOSFET. La dissipazione di potenza totale viene ripartita tra l'amplificatore e i MOSFET.

Il rapporto tra l'intervallo dell'oscillazione massima dell'uscita dell'amplificatore operazionale (±V_OUT-MAX) e le alimentazioni dell'amplificatore operazionale (V_EE, V_CC) determina la rete del divisore di tensione del resistore, come mostrato nell'Equazione 1.

 Equazione 1a

Se la tensione di alimentazione nominale dell'amplificatore operazionale è uguale a ±100 V e l'intervallo di oscillazione massima dell'uscita è uguale a ±150 V, il rapporto del divisore è uguale a:

 Equazione 1b

Questo calcolo offre un modo comodo per determinare il valore dei resistori in questa applicazione. Quando si scelgono i resistori, tuttavia, è importante tenere presente che entrano in gioco tensioni elevate e che tali resistori potrebbero essere chiamati a dissipare una notevole potenza. Scegliere i valori dei resistori per limitare la dissipazione di calore entro i rispettivi valori nominali.

Ad esempio, R_TOP raggiunge 150 V e R_BOT raggiunge 100 V. Utilizzando dei resistori da 0,5 W, il limite della dissipazione di potenza (V²/R) viene calcolato utilizzando l'Equazione 2:

 Equazione 2a

 Equazione 2b

Utilizzando il resistore da 45 kΩ come fattore di limitazione della dissipazione di potenza, il valore R_BOT produce un divisore 2,5:1 con un limite di dissipazione di potenza quiescente calcolato come segue:

Selezione dei FET

La considerazione principale per la scelta del MOSFET è la tensione di rottura. Questa tensione deve resistere alle condizioni di polarizzazione del caso peggiore. La tensione di rottura si ha quando l'uscita è satura, cosa che accade quando un MOSFET è a V_DS massimo e l'altro MOSFET è a V_DS minimo. Ad esempio, il V_DS assoluto massimo è ~300 V, che equivale a V_OUT-MAX (500 V) meno la tensione di alimentazione totale dell'amplificatore, (V_CC - V_EE = 200 V). Pertanto, i MOSFET devono avere una tensione di tenuta di almeno 300 V. Inoltre, il calcolo della dissipazione di potenza deve essere il caso peggiore sia di V_DS che della corrente di funzionamento. I progettisti devono assicurarsi che i MOSFET siano specificati per funzionare a questo livello di potenza.

La capacità di gate del MOSFET crea un filtro passa-basso con i resistori di polarizzazione e i MOSFET con rottura più alta tendono ad avere capacità di gate più elevate. In questo circuito, i resistori di polarizzazione tendono ad andare da decine di kΩ a centinaia di kΩ. Con questi valori elevati, non serve molta capacità di gate per rallentare il circuito.

Il valore della capacità di gate del MOSFET nella scheda tecnica (C_GATE) e la combinazione parallela di R_TOP e R_BOT determinano la frequenza del polo per un filtro passa-basso, come mostrato nell'Equazione 3:

 Equazione 3

Precauzioni

La risposta in frequenza della rete di polarizzazione deve rimanere dieci volte più veloce dei segnali di ingresso e di uscita. Se la rete di polarizzazione rallenta il circuito, l'uscita dell'amplificatore può estendere la sua alimentazione. L'ingresso rischia di essere danneggiato anche da escursioni momentanee al di fuori dei rail di alimentazione dell'amplificatore, mentre l'uscita rischia la distorsione a causa di una saturazione momentanea o della limitazione della variazione. Queste condizioni possono creare una perdita di retroazione negativa, un comportamento transitorio imprevedibile e un eventuale blocco a causa dell'inversione di fase.

Prestazioni

L'amplificatore nel circuito di bootstrap dell'alimentatore può essere configurato per un guadagno non invertente più elevato. Questa configurazione dell'amplificatore operazionale di bootstrap funziona come quella di qualsiasi altro stadio di guadagno dell'amplificatore operazionale. Occorre usare una configurazione non invertente. Nella misurazione della linearità c.c., i risultati sono determinati dalle caratteristiche dell'amplificatore (Figura 3). L'amplificatore è configurato con un guadagno di 20 con un intervallo di alimentazione di ±140 V.

Figura 3: Quello raffigurato è l'errore di guadagno rispetto alla tensione di ingresso con un guadagno di 20 e una tensione di alimentazione di ±140 V. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

L'uscita dell'amplificatore operazionale ha una velocità di variazione finita, in cui le sue alimentazioni dipendono dalla sua uscita. All'ingresso dell'amplificatore operazionale, una funzione gradino può superare il suo intervallo di alimentazione (Figura 4).

Figura 4: Velocità di variazione con un guadagno di 20 e un intervallo di alimentazione di ±140 V. All'ingresso dell'amplificatore operazionale, una funzione gradino può superare il suo intervallo di alimentazione, causando un blocco. Questa condizione può essere evitata inserendo un filtro passa-basso sul nodo di ingresso. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Nella Figura 4, la velocità di variazione specificata di ADHV4702-1 è di 74 V/ms. Per evitare il blocco, i progettisti devono utilizzare un filtro passa-basso sul nodo di ingresso del segnale (V_IN). Questo circuito di limitazione della variazione riduce i transitori a valori inferiori o uguali alla velocità di variazione dell'amplificatore operazionale, calcolata usando l'Equazione 4:

 Equazione 4

Dove V_STEP rappresenta le dimensioni massime del gradino delle sorgenti dei segnali e SR la velocità di variazione dell'amplificatore operazionale.

Conclusione

Un modo eccellente per pilotare alte tensioni analogiche a basso costo e con un ingombro minimo su scheda consiste nell'eseguire il bootstrap di un amplificatore operazionale di uscita rail-to-rail ad alta tensione e una coppia di transistor in grado di resistere ad alte tensioni di rottura. Per realizzare una soluzione di precisione e ad alte prestazioni che offra il doppio dell'intervallo nominale dei segnali dell'amplificatore, pur continuando a fornire prestazioni più elevate, si possono utilizzare l'amplificatore di precisione ad alta tensione ADHV4702-1 di Analog Devices e i MOSFET ad alta tensione di Infineon e Microchip.