logo elektroda
logo elektroda
X
logo elektroda
Adblock/uBlockOrigin/AdGuard mogą powodować znikanie niektórych postów z powodu nowej reguły.

Kluczowe pytania dotyczące rozpraszania mocy przez op-ampy - część 2

ghost666 12 Sie 2014 12:58 2505 0
  • Dwoma kluczowymi pytaniami, zadawanymi podczas projektowaniu nowego systemu wykorzystującego wzmacniacz operacyjny są:

    * Co to jest "typowe" rozpraszanie mocy?
    * Co to jest "maksymalne" rozpraszanie mocy?

    Na pierwsze z nich odpowiedziano w https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic2874520.html pierwszej części artykułu, z kolei na drugie z nich odpowiedź znajdziemy poniżej.

    Maksymalne zużycie mocy przez wzmacniacz operacyjny powinno być wyznaczane dla konkretnego układu w którym przyjdzie mu pracować. Rozważmy prosty przykład, wykorzystujący układ OPA316. Obciążmy wyjście op-ampa najmniejszą możliwą impedancją RL, która jest akceptowalna dla układu. Z karty katalogowej, której fragment widzimy poniżej wynika iż minimalne obciążenie wyjścia układu to 2 kΩ (czerwony owal).

    Kluczowe pytania dotyczące rozpraszania mocy przez op-ampy - część 2


    Maksymalne rozpraszanie mocy nastąpi w momencie w którym VS oraz IQ będą miały maksymalne wartości, a wyjście spolaryzowane będzie do poziomu równego połowie napięcia zasilania dodatniego Vs+. Poniższy schemat, na podstawie którego wyznaczać będziemy maksymalne rozpraszanie mocy, prezentuje testowany układy. Jest to aplikacja OPA316 w której zasilany jest on niesymetrycznie, pojedynczym napięciem zasilania. Wzmacniacz operacyjny wykorzystany jest w konfiguracji nieodwracającej. Wyjście obciążone jest impedancją wypadkową 2 kΩ, na którą składa się RL równolegle z szeregową kombinacją RF oraz RI. Impedancje liczymy pomiędzy wyjściem układu a masą. Wejście nieodwracające spolaryzowane jest napięciem 1,375 Vdc, co daje na wyjściu napięcie równe 2,75 V z uwagi na wzmocnienie układu równe 2 V/V. Jeden z tranzystorów wyjściowych układu OPA316 wymusza prąd przez impedancję 2kΩ do masy, różnica potencjałów pomiędzy jego źródłem a drenem wynosi 2,75 V.

    Kluczowe pytania dotyczące rozpraszania mocy przez op-ampy - część 2


    Rozpraszanie mocy wzmacniacza operacyjnego wyznaczone jest dla następujących parametrów:

    VO = 2,75 V, przy dodatkowym założeniu iż VO to napięcie DC.

    IO = IRL + IFB = (2,75 V / 5 kΩ) + [2,75 V / 2(1,67 kΩ)] = 550 µA + 832,4 µA = 1,373 mA

    ITOTAL = IO + IQ(MAX) = 1,373 mA + 500 µA = 1,873 mA

    Pd = (Vs+)*(ITOTAL) = (5,5 V)*(1,873 mA) = 10.3 mW

    Zużycie mocy jest dosyć niskie i jest jedynie około pięć razy większe niż podstawowe zużycie prądu przez op-amp. Ten scenariusz wydaje się być niezbyt problematyczny, ale jest dobrym punktem do rozpoczęcia dalszych rozważań.

    W gorszym przypadku znajdziemy się, jeżeli wyjście zwarte jest do masy lub napięcia zasilania. Nowoczesne wzmacniacze operacyjne, takie jak OPA316, zaprojektowane są tak aby wytrzymywać zwarcie wyjścia do masy lub linii zasilania, bez uszkodzenia. Dane dotyczące parametrów pracy podczas zwarcia wyjścia OPA316 zawarte są w karcie katalogowej.

    Prąd wyjściowy IO nie jest nieskończony - przeciwnie, jest ograniczony do pewnej wartości podczas zwarcia ISC. Jest to maksymalny prąd który płynąć może przez wyjście układu do masy. Topologia wewnętrzna układu oraz charakterystyka tranzystorów wyjściowych ma wpływ na wartość prądu ISC. W przypadku układu OPA316 prąd ten wynosi, jak oznaczono powyżej niebieskim owalem ± 50 mA.

    Jako że na wyjściu podczas zwarcia wymuszone zostaje napięcie 0 V (masa) prąd nie płynie przez oporniki w pętli sprzężenia zwrotnego, co oznacza iż cała moc rozpraszana jest na samym układzie OPA316. Poniższy schemat ilustruje taką sytuację, w której wyjście zwarte jest do masy. Warto zwrócić uwagę iż całe napięcie zasilania, wynoszące 5,5 V, odkłada się na tranzystorze wyjściowym, przez który płynie prąd ISC. Rozpraszanie mocy PD(XSTR) na tym elemencie może być znaczne.

    Kluczowe pytania dotyczące rozpraszania mocy przez op-ampy - część 2


    Rozpraszanie mocy przez układ obliczyć można w następujący sposób:

    Zakładamy iż prąd wyjściowy IO = ISC ≈ 50 mA, zatem

    PD(XSTR) = V(XSTR) * ISC = 5,5 V (50 mA) = 275 mW

    PQ(MAX) = (Vs+) * IQ(MAX) = 5,5 V * 500 µA = 2,75 mW

    PD(MAX) = PQ(MAX) + PD(XSTR) = 2,75 mW + 275 mW = 278 mW

    Zatem parametr PD jest około 27 razy wyższy niż dla obciążenia układu sygnałem DC. Czy wzmacniacz będzie w porządku po takiej sytuacji? Proste obliczenia pokazujące temperaturę złącza Tj dla tego rozpraszania mocy powinny powiedzieć nam jak przeżyje taką sytuację.

    Tj = Ta + PD∙θja

    Ta = temperatura otoczenia, zakładamy standardowe 25 °C

    θja = Opór termiczny złącza, wynosi on dla tego układu 263 °C/W w obudowie SC70-5

    Tj = 25 °C + (0,278 W)*(263 °C/W) = 98,1 °C

    Wartość ta jest stanowczo poniżej 150 °C, czyli maksymalnej temperatury złącza z karty katalogowej. Op-amp powinien bez problemu przeżyć takie zwarcie. Jednakże warto pamiętać iż jeśli Ta byłoby o około 50 °C wyższe, to mogłoby dojść do uszkodzenia układu.

    Prosta analiza DC, pozwala nam na zrozumienie jak funkcjonuje rozpraszanie mocy na wzmacniaczu operacyjnym, wykorzystanym w konkretnej aplikacji. Dane z karty katalogowej są dostateczne aby przeprowadzić takie obliczenia. Jednakże pamiętać trzeba iż w sytuacji pracy z sygnałami zmiennymi jest to bardziej problematyczne z uwagi na zależność od czasu. Taka sytuacja wymaga podejścia wykorzystującego dodatkowo całkowanie przebiegów, jednakże nawet przy przeprowadzeniu jedynie odpowiedniej analizy DC, jesteśmy w stanie uzyskać dane opisujące działanie układu w możliwie najgorszym scenariuszu w układzie.

    Źródło:
    http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archi...tions-on-op-amp-power-dissipation-part-2.aspx

    Fajne? Ranking DIY
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    https://twitter.com/Moonstreet_Labs
    ghost666 napisał 11960 postów o ocenie 10197, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
REKLAMA