La recherche de moyens de protéger les applications industrielles contre les hautes tensions reste une tâche importante pour les développeurs. Dans cet article de Hakan Uenlue d'Analog Devices, vous découvrirez une astuce de conception qui illustre comment les développeurs peuvent obtenir une protection contre les surtensions en utilisant des amplificateurs OTT (Over-The-Top®).
Même les applications industrielles présentent parfois des tensions supérieures à l'alimentation système. Bien que les potentiels ne soient pas aussi élevés ici que, par exemple, dans l'électronique automobile, ils peuvent souvent être supérieurs aux tensions système courantes. Certaines tensions système peuvent même être trop élevées pour de nombreux amplificateurs OP. Cela constitue un réel défi pour les circuits d'entrée analogiques. Des tensions plus élevées peuvent notamment rendre conductrices les diodes d'entrée internes d'un amplificateur classique. Plus cet état se prolonge, plus un dysfonctionnement voire une panne est susceptible de se produire. Les développeurs peuvent prendre les mesures préventives qui s'imposent en utilisant des circuits de protection externes incluant notamment des diodes ou des résistances externes. Cependant, ces composants supplémentaires occupent de l'espace sur la carte et présentent des inconvénients tels que des courants de fuite, une capacité supplémentaire et du bruit. C'est pourquoi une solution de CI intégrant la technologie Over-The-Top constitue un choix de premier ordre.
Comment la technologie OTT (Over-The-Top) fonctionne-t-elle ?
Pour une explication simplifiée, il convient de considérer l'intérieur des composants ADA4098-1 ou ADA4099-1 de dernière génération. Ces amplificateurs OP OTT disposent chacun de deux étages d'entrée. Le premier est un étage différentiel à émetteur commun composé de transistors PNP pour les signaux d'entrée entre l'alimentation négative (–VS) et jusqu'à environ 1,25 V de moins que l'alimentation positive (+VS). Le deuxième est un étage d'entrée à base commune composé d'autres transistors PNP pour signaux d'entrée dont la tension de mode commun est +VS – 1,25 V ou supérieure. Un exemple du circuit interne est présenté dans la Figure 1. Le premier étage intègre des transistors Q1 et Q2, tandis que le deuxième étage dispose de transistors Q3 à Q6.
Figure 1. Représentation simplifiée de la structure interne (extraite de ADA4098-1 dernière génération)
Ces étages d'entrée produisent deux plages de fonctionnement distinctes mais complémentaires. Les tensions de décalage des deux étages d'entrée sont étroitement ajustées et spécifiées dans les fiches techniques.
Lorsque la tension en mode commun des entrées approche+VS, le deuxième étage est activé et l'amplificateur OP passe alors en mode OTT. Cela peut produire de la surtension dans diverses applications. Par exemple, pour la mesure du courant côté haut, les tensions peuvent dépasser le potentiel d'alimentation du système en raison d'effets parasites ou liés à la charge, même temporairement. Les amplificateurs classiques autorisent des tensions de signal jusqu'à la plage de tension d'alimentation. Si les entrées dépassent largement cette plage, les diodes internes sont généralement activées et un courant électrique significatif les traverse. Selon la tension et les courants des signaux, ces pics peuvent interrompre le fonctionnement de l'amplificateur, voire, dans le pire des cas, provoquer la défaillance du circuit intégré.
Contrairement aux amplificateurs OP classiques, qui présentent de tels problèmes, les amplificateurs avec OTT peuvent tolérer des tensions d'entrée différentielles atteignant 80 V. Dans cet état, le niveau de sortie est saturé à l'alimentation positive (+VS). Dans cet état, la sortie conserve sa capacité à absorber ou à fournir du courant dans les limites de la fiche technique. Dès que les entrées reviennent dans la plage de fonctionnement normale (–VS à +VS), le niveau de sortie revient également à la plage linéaire habituelle sans dommage ni dégradation de la précision CC. Le cas ici observé est similaire pour des tensions de mode commun jusqu'à 70 V.
Exemples d'application et conseils pour les amplificateurs disposant de la technologie OTT
Quelques exemples de mesure de courant sont proposés dans la Figure 2. ADA4098-1 est la version faible consommation, tandis que ADA4099-1 a une bande passante plus élevée et un taux de montée en tension plus élevé.
Figure 2. Exemples de mesure de courant avec ADA4098-1
Dans la mesure côté bas, le gain provient des résistances R2 et R3. La diode D1 améliore la précision de l'alimentation unique à de faibles courants de charge.
Dans la mesure du courant côté haut, les résistances 1 kΩ et 100 Ω (en haut) sont déterminantes pour le gain. Les résistances aux entrées de l'amplificateur assurent notamment le filtrage. Dans ce cas, une résistance de 1 % est optimale. Les courants de polarisation d'entrée possibles entraînent une chute de tension à travers ces résistances, et des tolérances étroites de l'ordre de 1 % contribuent ici à minimiser les plages de chute de tension.
La sortie de ADA4098-1 peut osciller sans charge d'un rail à l'autre à moins de 45 mV des deux alimentations. La sortie peut produire 24 mA et absorber 35 mA. L'amplificateur est compensé en interne et peut piloter une capacité de charge de 200 pF (min). Une résistance série de 50 Ω peut être interposée entre la sortie et des charges capacitives plus élevées pour étendre la capacité d'entraînement de charge capacitive de l'amplificateur.
Si la sortie VOUT pilote un circuit d'un potentiel inférieur et que ce circuit en aval dispose de diodes de protection pour ses propres rails de tension, il est logique de placer une résistance en VOUT. Cela limite les éventuels courants circulant vers le circuit en aval.
ADA4098-1 possède une broche SHDN dédiée pour mettre l'amplificateur en état d'arrêt très bas lorsqu'un niveau logique haut est appliquée à cette broche. Un niveau logique haut est défini par une tension de ≥1,5 V appliquée à la broche SHDN par rapport à la broche –VS. La broche VOUT se trouve alors dans un état de haute impédance. L'amplificateur peut aussi être placé en état de faible puissance en supprimant l'alimentation positive. Dans ces deux modes désactivés, OTT est toujours actif et des tensions pouvant atteindre 70 V sur –VS peuvent être appliquées aux broches d'entrée.
Outre les mesures de courant ou de puissance, l'amplificateur OTT peut également créer des circuits d'entrée analogique ou produire des boucles de courant de 4 mA à 20 mA. Vous trouverez dans la fiche technique des informations détaillées, d'autres exemples d'application, ainsi que divers calculs.
Conclusion
Cet article a expliqué comment les amplificateurs OTT (Over-The-Top) peuvent assurer une protection contre les surtensions. Grâce au circuit interne intelligent et précis, les amplificateurs OTT offrent à la fois robustesse et précision.
Les amplificateurs OTT de cinquième génération d'Analog Devices apportent la dernière protection contre les surtensions du laboratoire à la conception de votre circuit. Les amps OP OTT, tels que ADA4098-1 et ADA4099-1, offrent des tolérances de tension plus élevées au-delà des rails tout en obtenant des erreurs de décalage et des valeurs de bruit plus faibles.