Увеличение мощности выходного сигнала высоковольтного ОУ

     В статье анализируются схемы токового буфера, подключаемого к выходу высоковольтного операционного усилителя. Рассмотрены достоинства и недостатки каждой схемы. Предложен улучшенный вариант выходного каскада класса «AB». Проведено моделирование и лабораторные испытания предложенного варианта. Их результаты представлены в виде осциллограмм.

ВВЕДЕНИЕ
     Нередки случаи, когда при использовании высоковольтных операционных усилителей (ОУ) требуется получить выходной ток вплоть до 1А. Задача отнюдь не тривиальная, т.к. для того чтобы получить выходной ток более 0,2А уже, как правило, необходима дополнительная схема. Наиболее удачным решением является использование токового буфера (бустера). Величина усиления буфера по напряжению должна быть приблизительно равна 1.
     При выборе топологии буфера следует определить тип выходного каскада: как правило, используется класс «B». Но такой выбор не всегда возможен в силу того, что в этом каскаде возникает искажение при переходе через ноль, когда закрывается один ключ, например верхний, и открывается другой - нижний. Если такие искажения нежелательны, лучше использовать выходной каскад класса «AB». В этом случае искажения минимальны, т.к. петля ОС остается замкнутой при коммутации. Но в каскаде класса «AB» довольно трудно установить ток покоя - он нестабилен и чувствителен к изменению внешних факторов.

ПОСТРОЕНИЕ ТОКОВОГО БУФЕРА
     На рисунке 1 иллюстрируется общий метод подключения токового буфера к выходу ОУ. В этой схеме резистор R₁ создает путь току от выхода ОУ (в данном случае рассматривается PA441 - операционный усилитель компании APEX Microtechnology) к нагрузке и ограничивает максимальное напряжение на затворах MOSFET М₁ и М₂ до 10В. Резистор R_CL необходим для ограничения выходного тока ОУ. Его величина и величина R₁ подбирается таким образом, чтобы падение напряжения на R₁ не превысило 10В. Тем самым ограничивается и напряжение на затворах. Желательно, чтобы выходной ток ОУ был минимально возможным, чтобы уменьшить рассеиваемую мощность.
     Резисторы R_CL2 и R_CL3 служат для ограничения тока через затворы М₁ и М₂. Выходной ток создает падение на напряжения на этих резисторах и как только его величина достигает 0,7В, начинают проводить транзисторы Q₁ или Q₂, напряжение на затворе MOSFET уменьшается, и он выключается, а ОУ переходит в режим работы с ограничением максимального тока.
     Традиционная схема каскада класса «AB» приведена на рисунке 2. Она несколько упрощена, но одним из основных элементов в ней является умножитель, состоящий из затвора М₃ и резисторов R₁ и R₂. Поскольку с помощью этого узла устанавливается напряжение на затворах MOSFET транзисторов выходного каскада М₁ и М₂, обеспечивается стабильный ток покоя каскада. Однако из-за того, что источник тока I₁ на этой схеме гораздо сложнее, чем в каскаде класса «B», и содержит много компонентов, разработчик должен предусмотреть место на плате для всей схемы.
     При выборе элементов источников тока I₁ и I₂ размах напряжения на выходе этого узла меньше, чем на выходе ОУ, т.к. для управления затворами М₁ и М₂ не требуется большое напряжение. Заметим, что получить стабильный ток покоя довольно сложно из-за его нелинейной зависимости от напряжения затвора V_GS. Элементы схемы М₃, R₁ и R₂ должны выбираться индивидуально для каждого изделия.
     Чтобы избежать рассогласования при нагреве компонентов, тепловые коэффициенты М₁, М₂ и М₃ должны быть согласованы. Принимая во внимание перечисленные факты, а также температурную нестабильность и нелинейную зависимость тока покоя от напряжения затвора, реализовать на практике эту схему гораздо сложнее, чем каскад класса «B».

АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ВАРИАНТ
     На рисунке 3 показан упрощенный вариант альтернативной схем топологии класса «AB», а на рисунке 4 - полная схема прототипа, изображенного на рисунке 3. Затвор М₁, работающий в обедненном режиме, задает ток покоя выходного каскада. Ток М₁ задается резисторами R₄ и R₅. С помощью биполярного транзистора Q₁ устанавливается напряжение затвора V_GS М₁ по мере изменения тока нагрузки. Биполярные транзисторы Q₂ и Q₃ проводят ток в нагрузку во время отрицательной полуволны. Использование двух PNP-транзисторов обусловлено необходимостью рассеять требуемую мощность. Максимально допустимая рассеиваемая мощность каждого из них составляет 50Вт.
     Ограничение выходного тока производится с помощью диодов D₁-D₆. Учитывая, что в прототипе максимальный выходной ток ограничен на уровне 1,2А, падение напряжения на резисторе R₆ ограничивает напряжение база-эмиттер V_BE транзистора Q₁ и ток через него, т.к. при увеличении напряжения V_BE открываются диоды D₁, D₂, которые ограничивают напряжение V_BE транзистора Q₁. В рассматриваемой схеме максимальный выходной ток ОУ PA441 с помощью резистора R_CL ограничен приблизительно 40мА. Диоды D₅, D₆ ограничивают выходное напряжение ОУ PA441 и, тем самым, напряжение V_GS MOSFET М₁, которое, впрочем, остается достаточным для поддержания тока нагрузки, не превышающего максимально допустимого значения. Когда срабатывает схема ограничения максимального тока, выходной ток ОУ PA441 протекает через диоды D₁, D₂, D₅, D₆. При отрицательной волне выходного тока и срабатывания ограничения ток ОУ PA441 протекает через диоды D₃, D₄.
     Рассмотренная топология имеет ряд преимуществ, в т.ч. в увеличении размаха выходного напряжения за счет уменьшения падения напряжения на элементах выходного каскада. Кроме того, предлагаемая схема заметно проще. Следовательно, что немаловажно, уменьшается и число компонентов, и место, занимаемое на плате.

     Рассмотрим результаты моделирования при различных режимах работы. На рисунке 5 показаны результаты моделирования выходного каскада в режиме класс «A» при работе с малой нагрузкой. Выходное напряжение от пика до пика на нагрузке 7кОм составляет 100В, максимальный выходной ток - немногим менее 8 мА. Поскольку токи через транзисторы М₁ и Q₂, Q₃ всегда больше нуля в течение всего цикла, каскад работает в режиме «A». На рисунке 6 представлены результаты моделирования той же схемы, но в режиме «AB». Нагрузка схемы составляет 100Ом. Питание схемы ±160В, выходное напряжение от пика до пика - 200В.

     На рисунках 7-8 приведены осциллограммы входных и выходных напряжений, полученные при лабораторных испытаниях. Питание схемы составило ±160В, частота выходного сигнала - 10кГц, ОУ был сконфигурирован по схеме инвертирующего усилителя. На всех рисунках на канале, помеченном «1», отражается выходное напряжение, а на канале «2» - входное напряжение. На рисунке 7 представлены осциллограммы при работе на емкостную нагрузку 0,123мкФ. Как видно из осциллограммы, схема работает стабильно, искажения выходного сигнала не наблюдается. На рисунке 8 показана работа схемы при активной нагрузке 100Ом. Как видно из осциллограмм, и в этом случае выходной сигнал стабилен, а искажения отсутствуют.
     На рисунке 9а показано срабатывание токовой защиты в отсутствие токового буфера. В этом случае выходной ток схемы ограничивается максимально допустимым током ОУ PA441 - немногим более 60мА. При срабатывании ограничения по току искажается форма выходного напряжения. Использование токового буфера класса «AB» (см. рис. 3-4) увеличивает максимальный выходной ток до величины чуть более 1 А. При этом искажения выходного сигнала не происходит (см. рис. 9 б). На рисунке 10 показана осциллограмма выходного напряжения с амплитудой 150В, искажения сигнала отсутствуют.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
     Дополнение высоковольтного ОУ токовым буфером, предлагаемым компанией Apex Microtechnology, работающим в режиме «AB», увеличивает выходной ток высоковольтной схемы. При этом напряжение выходного сигнала не искажается. Рассмотренная схема иллюстрирует базовый подход к решению проблемы, и, конечно, может быть улучшена разработчиком в каждом конкретном случае.

Скачать в PDF