Glen Brisebois, Linear Technology
Design Note 533
Введение
Выпускаемые Linear Technology операционные усилители (ОУ) семейства Over-The-Top (в вольном переводе: Выше-Крыши) имеют топологию входных каскадов, позволяющую им при замкнутой обратной связи работать с напряжениями, намного превышающими напряжение положительной шины питания. Входы этих микросхем остаются в высокоимпедансном состоянии даже при выключении или полном пропадании питания. Подобные приборы незаменимы в системах, где неопределенность последовательности включения питания требует особой надежности компонентов. Микросхемы LT6015, LT6016 и LT6017 расширяют диапазон допустимых входных напряжений ОУ до 76 В, а уменьшенное за счет лазерной подгонки напряжение смещения, не превышающее 350 мкВ во всем диапазоне входных синфазных напряжений и рабочих температур, позволяют повысить точность приложений.
Топология входного каскада. Принцип работы
На Рисунке 1 изображен входной каскад усилителя Over-The-Top. При небольших синфазных напряжениях PNP транзисторы Q1 и Q2 представляют собой самую обычную согласованную дифференциальную пару с генератором тока I1. Коллекторные токи транзисторов дифференциальной пары текут в каскодную пару Q7, Q8, которая, в свою очередь, управляет выходным каскадом. Когда синфазное напряжение превысит напряжение верхней шины питания примерно на 1 В, Q9 начнет забирать ток генератора у дифференциальной пары, который потечет через токовое зеркало Видлара Q11, Q12, открывая включенные диодами транзисторы Q3, Q4, которые, в свою очередь, откроют согласованную пару Q5 и Q6, включенную по схеме с общей базой. В результате Q5 и Q6 окажутся включенными параллельно той же каскодной схеме. Поэтому дифференциальная пара Q1, Q2 и пара включенных с общей базой транзисторов Q5, Q6, по существу, параллельны, и каждая пара работает в своем диапазоне входных синфазных напряжений. Сила такого подхода заключается в том, что транзистор Q12, как и все другие переходы схемы, может работать при огромном напряжении 76 В. Это означает, что входной каскад Q5, Q6 активен и сохраняет точность даже тогда, когда напряжение поднимается выше V+, и петля обратной связи ОУ остается замкнутой. Имейте ввиду, что Q5 и Q6 не усиливают ток, вследствие чего наихудшее для LT6015 значение тока смещения 15 нА в режиме Over-The-Top вырастает до 500 нА.
 |
|
| Рисунок 1. | Входной каскад усилителя Over-The-Top выдерживает синфазное напряжение до 76 В независимо от напряжения положительной шины питания. |
Простой дифференциальный усилитель
На Рисунке 2 изображена схема простого дифференциального усилителя с четырьмя резисторами. Дифференциальные входные напряжения VIN доходят до выхода усиленные в 100 раз с относительно небольшим влиянием VCM, в особенности, когда выполнена подстройка коэффициента подавления синфазного сигнала (CMRR). Синфазные напряжения на входах ОУ могут на 76 В превышать напряжение шины –5 В. Приложенные к входным резисторам напряжения VCM + VIN могут быть немного больше за счет их ослабления резистивным делителем на неинвертирующем входе. Обусловленная током смещения входная ошибка в худшем случае при высоком входном напряжении составляет 500 мкВ, и существенно уменьшается, если напряжение находится в границах между –5 В и +5 В.
 |
|
| Рисунок 2. |
Дифференциальный усилитель с коэффициентом |
Измерение тока верхнего плеча
На Рисунке 3 показана схема высокоточного усилителя датчика тока положительной шины, способная работать в широком диапазоне синфазных входных напряжений и остающаяся в состоянии высокого входного импеданса после исчезновения ее питания. На входы ОУ подается высокое напряжение, а уровень напряжения обратной связи сдвигается МОП транзистором. Поскольку МОП транзистор питается напряжением VBAT, выходное напряжение ограничивается уровнем VBAT – VR1 – VDS. R1 и R3 задают коэффициент усиления. Кто-нибудь может подумать, что резистор R2 может иметь 5-процентный допуск, однако его сопротивление вносит вклад в ошибку по постоянному напряжению, создаваемую входным током смещения, который в режиме Over-The-Top достаточно велик, поэтому выбор 1% здесь вполне обоснован. R4 добавлен для тех, кому не нравится, когда затвор MOSFET включен без сопротивления. Если схема, работая при более высоких напряжениях VBAT и VSUPPLY, управляет следующим каскадом, напряжение питания которого ниже или выключено, и этот каскад имеет защитные диоды, подключенные к шинам питания, то возникающие в системе непредсказуемые броски могут приводить к включению МОП транзистора, в результате чего на R3 будет падать все напряжение VBAT. R5, в определенной степени, изолирует схему от защитных диодов и замыканий последующего каскада; его сопротивление и мощность должны выбираться в соответствии с характеристиками транзистора и следующего каскада. Это примерный перечень соображений, которые надо принимать во внимание, разрабатывая надежные схемы для высоковольтных систем.
 |
|
| Рисунок 3. | Усилитель датчика положительной шины работает при входном напряжении до 76 В даже тогда, когда напряжение единственного источника питания равно 5 В. МОП транзистор замыкает цепь обратной связи. Шкала выходных напряжений ограничена значениями VBAT и VSUPPLY. Резистор 330 Ом – мера предосторожности (см. текст). |
Чтобы расширить рабочую область усилителя датчика тока положительной шины в сторону более низких напряжений, можно воспользоваться сдвоенной микросхемой LT6016, включив ее так, как показано на Рисунке 4. Выбор меньшего усиления первого каскада позволяет понизить напряжение истока MOSFET, давая возможность сдвинуть границу малых входных синфазных напряжений до 0.2 В. Следующим каскадом усиление схемы восстанавливается.
 |
|
| Рисунок 4. | Усилитель датчика тока положительной шины с рабочей областью VSOURCE, расширенной в область малых напряжений. |
Заключение
Семейство ОУ Over-the-Top LT6015/16/17 позволяет разработчикам промышленных систем создавать прецизионные устройства для контроля высоких напряжений, используя обычные низковольтные шины питания. Имеющиеся в этих усилителях встроенные механизмы защиты от множества экстремальных режимов гарантируют высокую надежность схемных решений.
Материалы по теме
