Controle e amplifique as altas tensões de forma eficaz e segura com o amplificador operacional de alta tensão

Há muitas aplicações que requerem amplificadores operacionais (amp-ops) que podem operar em altas tensões (acima de 60 V a 100 V) devido à natureza de seu sinal de entrada ou às características da carga de saída. Estas aplicações incluem acionadores piezo em impressoras a jato de tinta e 3D, bem como transdutores de ultrassom e outros instrumentos médicos, controladores ATE e fontes de campo elétrico.

Estes não são amp-ops típicos, pois devem atender aos requisitos da taxa de inclinação diante de cargas não-resistivas (indutivas, capacitivas), requerem uma fonte de alimentação rigidamente regulada, e — uma vez que as tensões ultrapassam 60 V — o projetista se depara com requisitos de regulação rigorosos e exigentes. Dependendo da aplicação, também pode haver altas correntes, levando a problemas de gerenciamento térmico.

Para resolver estes problemas, há disponíveis amp-ops de padrões monolíticos e híbridos de alta tensão, baseados em processos especiais. Entretanto, eles exigem considerações especiais em sua seleção, projeto e layout para atender de forma consistente e segura os objetivos de projeto do sistema. Este artigo analisará o uso de amp-ops de tensão mais alta (>100 V) em suas aplicações exclusivas (mas surpreendentemente) comuns, e como aplicá-los com sucesso.

Por que a necessidade de alta tensão?

As aplicações representativas para amp-ops de alta tensão são numerosas e variadas. A maioria deles requer tanto tensões mais altas quanto um controle preciso à medida que desenvolvem a versão com ganho de tensão de seu sinal de entrada de tensão mais baixa. Na maioria dos casos, estes não são sinais de ligar/desligar tensões mais altas, portanto é necessário um amplificador linear em vez de uma função mais simples de chaveamento de alta tensão. Algumas dessas aplicações, que muitas vezes requerem uma saída bipolar, incluem:

• Acionadores piezo em impressoras a jato de tinta, transdutores de ultrassom e válvulas dosadoras de fluxo preciso
• Controladores de equipamento de teste automático (ATE) usados para exercitar completamente outros CIs, dispositivos híbridos e módulos
• Instrumentos científicos como os contadores Geiger
• Os diodos laser de alta intensidade dos sistemas de imagens LiDAR (Light Detection and Ranging) para uso automotivo
• Criação de campos elétricos frequentemente utilizados em testes biomédicos de fluidos

Muitos desses sistemas operam, pelo menos em parte, em tensões mais elevadas, mas têm correntes de 10 a 100 mA (de baixa a modesta), e portanto não são "de alta potência" no sentido usual. Como resultado, a ênfase do projeto é mais no controle e fornecimento da tensão necessária do que no gerenciamento do calor gerado.

Por exemplo, um amp-op que fornece 100 V a 100 mA para uma carga representa uma demanda modesta de 10 W da alimentação (mais alguma energia adicional para perdas internas, normalmente de 20% a 30%). Embora este não seja certamente um cenário de "micropotência", também não é necessariamente um cenário difícil termicamente, pois a maior parte desses 10 W vai para a carga e, por isso, não está sendo dissipada pelos componentes eletrônicos. Ainda assim, a dissipação térmica é algo que deve ser sempre considerado ao se abordar um projeto.

Mais pertinente à amplificação de alta tensão através de um amp-op, aqui estão algumas questões abrangentes que o projetista se depara:

• Escolher e aplicar um amp-op adequado
• Otimizar o desempenho do dispositivo de alta tensão
• Fornecer as trilhas de alta tensão CC para o amp-op, que pode ser a mesma que a alimentação da carga
• Garantir a segurança de alta tensão e cumprir os mandatos regulatórios no layout e na construção

Escolha e implementação do amp-op

Um amp-op de alta tensão não é o mesmo que um amplificador tradicional. Em geral, um amplificador proporciona ganho de potência em alguma combinação de tensão e corrente, e geralmente em uma carga resistiva. Em contraste, um amp-op é configurado para aumentar a tensão enquanto fornece uma corrente máxima especificada para a carga. Além disso, o amp-op pode ser configurado para ganho fixo ou ajustável e usado em uma variedade de topologias além do bloco "simples" de ganho de tensão.

Historicamente, a maioria dos processos de CI usados para funções lineares como amp-op eram limitados a um máximo de cerca de 50 V. Para criar um amp-op de tensão mais alta, os projetistas adicionaram transistores externos discretos de alta tensão na saída para funcionar como reforços de tensão. É mostrado o uso do amp-op LT1055 JFET de precisão da Analog Devices em um circuito com transistores complementares de reforço para fornecer ±120 V (Figura 1).

Figura 1: Uma abordagem para produzir saídas de tensão mais alta no amp-op é adicionar transístores complementares de reforço a um dispositivo básico como o LT1055 da Analog Devices para aproveitar as características de entrada do amp-op; este projeto leva a saída a ±120 V. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Embora isto funciona, tem a desvantagem de uma lista de materiais mais complicada e cara em comparação com o CI sozinho, bem como problemas inevitáveis de layout. Também é um desafio alcançar e manter um desempenho simétrico entre as oscilações de saída positiva e negativa, enquanto minimiza a distorção através do ponto de passagem por zero. Estes problemas normalmente são o resultado de componentes descasados (principalmente os transistores NPN e PNP) e desequilíbrio no layout físico.

A seleção de um amp-op de alta tensão começa pela avaliação dos parâmetros que são similares aos de qualquer amp-op, embora os números específicos sejam diferentes, é claro. O processo é um pouco simplificado, uma vez que há relativamente menos ofertas de alta tensão. As considerações de projeto compreendem três áreas primárias:

1. Os fatores principais são tensão de saída, corrente de saída, largura de banda, taxa de inclinação e desempenho unipolar versus bipolar
2. Outras preocupações são limitações na taxa de inclinação e tipo de carga, assim como erros de desvio relacionados à temperatura, que podem aparecer na forma de onda de saída
3. Finalmente, há problemas de proteção contra sobrecarga térmica, excesso de corrente e outros problemas que afetam todos os amplificadores

Superando limitações

Os projetistas devem avaliar quais amp-ops disponíveis de alta tensão não só satisfazem os critérios obrigatórios de nº 1, mas também têm especificações de erro suficientemente baixas para atender aos requisitos, e também oferecem proteção embutida suficiente, ou podem ser ajustados com proteção externa, como limitação de corrente.

A adaptação do desempenho de um dispositivo que quase satisfaz todos os requisitos exige um bom julgamento. Por exemplo, às vezes o "melhor" amp-op disponível ainda fica aquém de um fator, como instabilidade enquanto aciona uma carga capacitiva, ou capacidade suficiente da corrente de saída, ou desvio excessivo relacionada à temperatura. O projetista tem que decidir entre procurar um amp-op diferente, que pode ter uma deficiência diferente, ou pegar o melhor e depois estender seu desempenho.

Alguns exemplos ilustram esta situação:

Cargas capacitivas: O ADHV4702-1 da Analog Devices é um amp-op de alta tensão e precisão (Figura 2). O dispositivo pode operar a partir de fontes duplas simétricas de ±110 V, fontes assimétricas, ou uma fonte única de +220 volts, e pode fornecer saídas de ±12 V a ±110 V a até 20 mA.

Seu ganho de 170 decibéis (dB) em malha aberta (A_OL) é um fator chave em seu alto desempenho. Ele pode facilmente acionar cargas capacitivas modestas, mas conforme esta carga aumenta, os pólos de sua função de transferência se desloca, fazendo com que ela apresente um pico de saída e possível instabilidade devido à margem reduzida da fase.

Os projetistas de amp-ops chegaram a uma solução para este problema. A adição de um resistor em série entre a saída e o pino C_Load permite acionar cargas superiores a 1 microfarad (µF) (Figura 2).

Figura 2: A colocação de um resistor em série (R_S) entre a saída do amplificador e o C_LOAD permite que o ADHV4702-1 acione cargas capacitivas superiores a 1 μF. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Entretanto, a adição deste resistor pode causar um pico de carga modesto (Figura 3).

Figura 3: R_S vs. C_LOAD para pico máximo de 2 dB para o circuito da Figura 2 com ganho unitário, tensão de alimentação de ±110 V, e V_OUT = 100 V_p-p. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Se mesmo 2 dB é um pico de carga excessivo para a aplicação, o ADHV4702-1 suporta compensação externa através de um capacitor colocado entre seu pino de compensação e o terra. Pela seleção adequada do resistor e do capacitor, é possível garantir estabilidade com cargas capacitivas com resposta quase plana em toda a largura de banda (Figura 4).

Figura 4: Resposta de frequência de sinal pequeno versus compensação externa para o ADHV4702-1 em ganho unitário, uma alimentação de ±110 V, V_OUT = 100 V_p-p, R_f = 0 Ω e C_COMP = 5,6 picofarads (pF). (Fonte da imagem: Analog Devices)

Mais corrente de saída: o amp-op OPA454AIDDAR da Texas Instruments fornece ±5 V a ±50 V de uma fonte única de 10 V a 100 V, respectivamente. Esta é metade da tensão nominal de saída em relação ao do ADHV4702-1 (100 V versus 200 V), mas tem mais do 2x a corrente de condução (50 mA versus 20 mA). Entretanto, esta quantidade de corrente adicional da fonte/dreno pode não ser suficiente para algumas cargas, especialmente se a carga compreende cargas menores em paralelo.

Há duas opções que abordam esta questão para a OPA454. Primeiro, dois (ou mais) OPA454AIDDARs podem ser conectados em paralelo (Figura 5).

Figura 5: A colocação de dois amp-ops OPA454AIDDAR em paralelo aumenta linearmente sua capacidade da corrente de saída. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

O amplificador A1 atua como amplificador mestre e pode ser configurado para qualquer configuração de amp-op, não apenas como uma unidade de ganho básico. O Amplificador A2, que pode ser apenas um ou muitos, é um escravo. Ele é configurado como um buffer de ganho unitário que rastreia a saída de A1 enquanto adiciona corrente de condução adicional.

Uma alternativa para obter mais corrente do que um único amplificador ou vários escravos podem fornecer, é usar transistores externos para reforço da corrente de saída (Figura 6).

Figura 6: Uma alternativa para colocar os dispositivos OPA454 em paralelo é utilizar transistores externos de saída. Isto pode alcançar uma corrente de saída ainda maior. Aqui, eles aumentam a corrente de saída para mais de 1 ampère. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

Usando os transistores mostrados, a configuração pode fornecer mais de 1 ampère. Entretanto, ao contrário do uso dos amp-ops OPA454 adicionais, o par de transistores complementares pode não fornecer o nível de desempenho necessário de linearidade e sem distorção. Se esta corrente mais alta for necessária e os transistores forem a solução preferida, podem ser necessários pares casados de transistores complementares PNP/NPN.

Coeficiente de temperatura (tempco) e desvio: Como em todos os componentes analógicos, o coeficiente de temperatura afeta o desempenho e a precisão, e o desvio da temperatura de compensação ou offset de entrada (dV_OS/dT) se tornará parte da saída amplificada. Para a OPA454, a especificação dV_OS/dT é bastante baixa a ±1,6 μV/°C (típico) e ±10 μV/°C (máximo) na faixa de temperatura ambiente especificada de -40°C a +85°C.

Se este número for muito grande, a adição do chamado amp-op de "deriva zero" como um pré-amplificador à frente do OPA454 de alta tensão reduzirá o desvio geral (Figura 7). Com o Texas Instruments OPA735 no lugar do pré-amplificador de deriva zero, o desvio do coeficiente de temperatura do amplificador de alta tensão pode ser mantido a 0,05 μV/°C (máximo) de deriva do primeiro estágio, dando um fator de redução de 200.

Figura 7: Ao acrescentar o amp-op OPA735 de deriva-quase-zero no caminho de entrada dele, resulta em um circuito de dois estágios de alta tensão com um desvio muito baixo da temperatura de compensação entrada. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

Proteção e problemas térmicos

Mesmo que os níveis de corrente possam ser modestos, a dissipação interna devido às tensões mais elevadas pode ser um problema, pela equação potência = tensão × corrente. A modelagem térmica é essencial, começando com a equação básica da temperatura de junção: T_J = T_A + (P_D × Θ_JA), onde T_J é a temperatura da junção, T_A é a temperatura ambiente, P_D é a potência de dissipação e Θ_JA é a resistência térmica do invólucro ao ambiente. Este último é determinado por técnicas de montagem e ambiente, incluindo dissipação de calor, fluxo de ar e o cobre da placa de circuito impresso.

Reconhecendo a importância e a presença do calor gerado, CIs como o OPA454 e o ADHV4702-1 incorporam circuitos de desligamento térmico. Por exemplo, os circuitos no OPA454 disparam o desligamento térmico automático, onde a saída vai para um estado de alta impedância quando a temperatura do seu dispositivo interno atinge 150°C. Permanece em desligamento térmico até resfriar a 130°C, momento em que é energizado. Esta histerese evita a oscilação do ligar e desligar da saída em torno de um limite térmico.

Os limites de dissipação não são apenas uma função da potência estática de saída, mas também são afetados pela frequência de operação e taxa de inclinação, o que pode resultar em um aquecimento excessivo do estágio de saída. É fundamental estudar os gráficos da área de operação segura (SOA) para qualquer acionamento desse tipo, começando com a SOA estático do ADHV4702-1 (Figura 8).

Figura 8: É fundamental estudar os gráficos da área de operação segura (SOA). O SOA CC do ADHV4702-1 é representado pela área sob as curvas, em temperaturas ambientes de 25⁰C e 85⁰C, com um ganho de 20 V e uma alimentação de ±110 volts. (Fonte da imagem: Analog Devices)

O SOA dinâmico também é uma preocupação. O ADHV4702-1 apresenta um circuito interno de reforço de taxa de inclinação para atingir sua largura de banda de 19 megahertz (MHz) de sinal pequeno e taxa de inclinação de 74 V/microssegundo (µs), mas este circuito de reforço pode consumir uma quantidade maior de corrente, dependendo do sinal. Por este motivo, os diodos externos podem ser usados com o ADHV4702-1 para limitar sua tensão diferencial de entrada (Figura 9).

Figura 9: Os diodos externos na entrada do ADHV4702-1 protegem o dispositivo dos efeitos térmicos da alta corrente do circuito de reforço, limitando sua tensão diferencial de entrada. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Isto protege o amplificador em operação dinâmica, mas limita a taxa de inclinação e a grande largura de banda do sinal, e assim limita a corrente produzida pelo circuito de reforço da inclinação e reduz a dissipação interna de potência (Figura 10).

Figura 10: SOA dinâmico em temperaturas ambientes de 25°C e 85°C, com e sem diodos grampeadores, sob as mesmas condições que o SOA estático. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Nem todos os controladores de alta tensão incluem proteção térmica, já que o amplo SOA torna um circuito interno muito restritivo. Por exemplo, o PA52 da Apex Microtechnology é um amplificador de alta tensão e alta potência que pode fornecer até 40 amperes (contínuo)/80 amperes (pico) a uma taxa de inclinação de 50 V/µs através de uma oscilação de tensão unipolar ou bipolar de 200 V. Como os níveis de dissipação podem ser tão altos, o gráfico SOA deste dispositivo é um elemento crítico no projeto do sistema, cobrindo os modos CC e pulsados (Figura 11).

Figura 11: O SOA para um amplificador de alta tensão (±100 V), alta corrente (80/40 ampères), como o PA52 da Apex Microtechnology, varia em uma ampla faixa, dependendo se está operando em estado estacionário ou em modo pulsado. (Fonte da imagem: Apex Microtechnology)

Para o PA52, os projetistas muito provavelmente querem adicionar um resistor externo sensível a alta corrente entre a saída e a carga para medir a corrente de saída e assim inferir a potência. O dimensionamento deste resistor é sempre um compromisso entre um alto valor de resistência versus um valor de resistência inferior. A maior resistência fornece um sinal maior e uma maior relação sinal/ruído (SNR), enquanto a menor resistência minimiza a auto-dissipação do resistor e a redução da potência de saída fornecida.

Um bom ponto de partida é selecionar o valor do resistor para que a tensão desenvolvida através dele seja de 100 mV na corrente máxima de carga. Além disso, o circuito de detecção precisará ser compatível com altas tensões de modo comum (CMV). Na maioria dos casos, um circuito sensível isolado é uma necessidade por várias razões: integridade do sinal detectado, proteção do resto do circuito e segurança do usuário.

Fonte e problemas regulatórios

Um amplificador de alta tensão é muito mais do que apenas um esquema e uma lista de materiais, uma vez que as especificidades do layout físico se tornam críticas. Para circuitos operando acima de cerca de 60 V, há questões e normas de segurança de implementação (o valor real depende da aplicação final e do país/região). Para estes projetos de tensão mais alta, os usuários devem decidir como separar as tensões mais altas das mais baixas e seguras. Isto pode envolver um ou mais meios mecânicos tais como barreiras, intertravamentos, isolamento ou espaçamento.

Além disso, o layout deve atender aos mandatos regulatórios para dimensões mínimas de fuga e folga para componentes e trilhas das placas de circuito, de modo que não possam ocorrer arcos e descargas. Estas dimensões são uma função da tensão e do ambiente operacional previsto (umidade e poeira versus um ambiente limpo e seco). Pode fazer sentido utilizar um consultor que seja especialista nestas áreas, já que as normas são complicadas com muitas sutilezas, enquanto o processo de aprovação formal requer tanto análises do layout do projeto, construção, dimensões e materiais, como também um modelo de prova para teste.

Em princípio, uma fonte de baixa a alta tensão CA/CC ou CC/CC é simples e pode ser construída usando um retificador de onda completa (para CA) junto com um circuito multiplicador de tensão composto de diodos e capacitores. Entretanto, existem muitos problemas práticos no projeto da fonte de alta tensão, tais como garantir que estes dispositivos passivos tenham os dimensionamentos adequados de tensão.

Até mesmo a colocação da fonte é um problema. Em aplicações que têm apenas uma fonte de baixa tensão (na ordem de dezenas de volts ou menos), pode fazer sentido trabalhar com cabos de tensões mais baixas para um multiplicador de tensão separado, localizado perto das funções do amp-op de alta tensão. Entretanto, a corrente consumida com tensão mais baixa significa queda adicional de corrente-resistência (IR) e perda de potência I²R nesses fios, e isso pode superar as vantagens da separação. A outra opção é trabalhar com os fios de alta tensão para a distância, reduzindo assim as perdas, mas aumentando as restrições regulamentares e de segurança.

A decisão de fazer ou comprar

Independentemente da colocação, a menos que a equipe de projeto tenha conhecimento e experiência, geralmente faz sentido comprar a fonte de alta tensão em vez de tentar projetá-la e construí-la. Há muitos problemas com estas fontes e obter a certificação é difícil. Uma fonte de alimentação faz muito mais do que apenas pegar uma tensão de entrada e transformá-la na saída desejada:

• Deve ser precisa e estável
• Deve atender a objetivos de desempenho de ondulação e de transiente
• Deve incorporar vários recursos de proteção e desligamento
• Tem que atender às normas da EMI
• Também pode precisar ser isolada de forma galvânica

Há muitas ofertas de fontes de alimentação de alta tensão, desde modelos de baixa corrente até modelos que podem fornecer vários ampères ou mais. Por exemplo, o FS02-15 da divisão EMCO High Voltage da XP Power, é um módulo de alta tensão isolado e montado em placa de circuito impresso (Figura 12). Mede 57 mm de comprimento × 28,5 mm de largura × 12,7 mm de altura, opera com uma alimentação de 15 volts CC e fornece 200 V (±100 V) a 50 mA. O módulo atende a todos os requisitos de desempenho e regulamentação, ao mesmo tempo em que incorpora os recursos que agora são padrões e esperados em uma fonte com todas as características.

Figura 12: As fontes prontas para uso, como a FS02-15 da XP Power, que fornece ±100 V a 50 mA a partir de uma de alimentação de 12 volts, elimina o projeto e os problemas regulatórios associados ao fornecimento seguro de energia isolada para os amp-ops de alta tensão. (Fonte da imagem: XP Power)

Conclusão

Os amp-ops de alta tensão são uma necessidade em muitos sistemas eletrônicos que abrangem instrumentação, medicina, física, transdutores piezoelétricos, díodos laser e muito mais. Embora os projetistas possam recorrer a amp-ops compatíveis com estas tensões, seus atributos e limitações devem ser claramente compreendidos, dadas as implicações de desempenho, térmicas, regulamentares e de segurança de sua operação acima de 100 volts.