jednoduchá měření Op Amp
Op zesilovače jsou zesilovače s velmi vysokým ziskem s diferenciálními vstupy a jednostrannými výstupy. Často se používají ve vysoce přesných analogových obvodech, takže je důležité přesně měřit jejich výkon. Ale v měřeních s otevřenou smyčkou jejich vysoký zisk s otevřenou smyčkou, který může být stejně velký jako 107 nebo více, je velmi obtížné vyhnout se chybám z velmi malých napětí na vstupu zesilovače v důsledku snímání, bludných proudů nebo efektu Seebeck (termočlánek).
proces měření může být značně zjednodušen použitím servo smyčky k vynucení nuly na vstupu zesilovače, což umožňuje testovanému zesilovači v podstatě měřit své vlastní chyby. Obrázek 1 ukazuje všestranný obvod, který využívá tento princip, využívající pomocný operační zesilovač jako integrátor pro vytvoření stabilní smyčky s velmi vysokým ziskem dc otevřené smyčky. Spínače usnadňují provádění různých testů popsaných ve zjednodušených ilustracích, které následují.
obvod na obrázku 1 minimalizuje většinu chyb měření a umožňuje přesné měření velkého počtu stejnosměrných a několika střídavých parametrů. Další“ pomocný “ operační zesilovač nepotřebuje lepší výkon než měřený operační zesilovač. Je užitečné, pokud má stejnosměrný zisk otevřené smyčky jeden milion nebo více; pokud je posun zkoušeného zařízení (DUT) pravděpodobně vyšší než několik mV, měl by být pomocný operační zesilovač provozován ze zdrojů ±15-V (a pokud vstupní offset DUT může překročit 10 mV, bude nutné snížit odpor 99.9-kΩ, R3).
napájecí napětí +v a-V DUT mají stejnou velikost a opačné znaménko. Celkové napájecí napětí je, samozřejmě, 2 × v. používají se symetrické zdroje, a to i u operačních zesilovačů „single supply“ s tímto obvodem, protože referenční systém je středem dodávek.
pomocný zesilovač, jako integrátor, je nakonfigurován tak, aby byl otevřený (plný zisk) při dc, ale jeho vstupní odpor a zpětnovazební kondenzátor omezují jeho šířku pásma na několik Hz. To znamená, že stejnosměrné napětí na výstupu DUT je zesíleno plným ziskem pomocného zesilovače a aplikováno prostřednictvím útlumu 1000: 1 na neinvertující vstup DUT. Negativní zpětná vazba nutí výstup DUT na zemní potenciál. (Ve skutečnosti je skutečné napětí ofsetovým napětím pomocného zesilovače-nebo, pokud máme být opravdu pečliví, tento offset plus pokles napětí v rezistoru 100-kΩ v důsledku předpětí pomocného zesilovače-ale to je dostatečně blízko k zemi, aby to nebylo důležité, zejména proto, že změny napětí v tomto bodě během měření pravděpodobně nepřesáhnou několik mikrovoltů).
napětí na zkušebním místě, TP1, je 1000násobek korekčního napětí (rovnajícího se velikosti chyby), které je aplikováno na vstup DUT. Bude to desítky mV nebo více, a tak je docela snadné měřit.
ideální operační zesilovač má nulové offset napětí (Vos); to znamená, že pokud jsou oba vstupy spojeny a drženy na napětí uprostřed mezi zdroji, výstupní napětí by mělo být také uprostřed mezi zdroji. V reálném životě, operační zesilovače mají offsety v rozmezí od několika mikrovoltů do několika milivoltů—takže na vstup musí být přivedeno napětí v tomto rozsahu, aby byl výstup přiveden na potenciál uprostřed.
Obrázek 2 ukazuje konfiguraci pro nejzákladnější měření posunutí testu. Výstupní napětí DUT je na zemi, když napětí na TP1 je 1000 krát jeho offset.
ideální operační zesilovač má nekonečnou vstupní impedanci a ve svých vstupech neproudí žádný proud. Ve skutečnosti proudí malé“ předpětí “ proudy v invertujících a neinvertujících vstupech (Ib – a Ib+); mohou způsobit významné posuny v obvodech s vysokou impedancí. Mohou se pohybovat v závislosti na typu operačního zesilovače od několika femtoamper (1 fA = 10-15 A-jeden elektron každých několik mikrosekund) až po několik nanoamper, nebo dokonce—v některých velmi rychlých operačních zesilovačích—jeden nebo dva mikroampery. Obrázek 3 ukazuje, jak lze tyto proudy měřit.
obvod je stejný jako offsetový obvod na obrázku 2, s přidáním dvou rezistorů, R6 a R7, v sérii se vstupy DUT. Tyto rezistory mohou být zkratovány spínači S1 a S2. Když jsou oba spínače uzavřeny, obvod je stejný jako obrázek 2. Když je S1 otevřený, zkreslený proud z invertujícího vstupu proudí v Rs a rozdíl napětí se přidává k offsetu. Měřením změny napětí na TP1 (=1000 Ib – ×Rs) můžeme vypočítat Ib -; podobně uzavřením S1 a otevřením S2 můžeme měřit Ib+. Pokud je napětí měřeno na TP1 s uzavřenými S1 a S2 a poté oběma otevřenými, změří se změnou „vstupní offsetový proud“, Ios, rozdíl mezi Ib + a Ib -– Použité hodnoty R6 a R7 budou záviset na měřených proudech.
pro hodnoty Ib řádově 5 pA nebo méně je obtížné použít tento obvod kvůli velkým odporům; mohou být vyžadovány jiné techniky, pravděpodobně zahrnující rychlost, jakou Ib nabíjí kondenzátory s nízkým únikem (které nahrazují Rs).
když jsou S1 a s2 uzavřeny, Ios stále proudí v rezistorech 100-Ω a zavádí chybu ve Vos, ale pokud Ios není dostatečně velký, aby vytvořil chybu větší než 1% měřených Vos, může být v tomto výpočtu obvykle ignorován.
zisk DC s otevřenou smyčkou operačního zesilovače může být velmi vysoký; zisky větší než 107 nejsou známy, ale hodnoty mezi 250 000 a 2 000 000 jsou obvyklejší. Stejnosměrný zisk se měří vynucením výstupu DUT k pohybu o známé množství (1 V na obrázku 4, ale 10 V, pokud zařízení běží na dostatečně velkých zásobách, aby to umožnilo) přepnutím R5 mezi výstupem DUT a referencí 1-V S6. Pokud je R5 na +1 V, musí se výstup DUT přesunout na -1 v, pokud má vstup pomocného zesilovače zůstat nezměněn poblíž nuly.
změna napětí na TP1, oslabená o 1000:1, je vstup do DUT, což způsobuje změnu výstupu 1-V. Je jednoduché vypočítat zisk z toho (=1000 × 1 V / TP1).
pro měření střídavého zisku s otevřenou smyčkou je nutné na vstup DUT vstříknout malý střídavý signál požadované frekvence a změřit výsledný signál na jeho výstupu (TP2 na obrázku 5). Zatímco se to děje, pomocný zesilovač pokračuje ve stabilizaci střední úrovně stejnosměrného proudu na výstupu DUT.
na obrázku 5 je AC signál aplikován na vstup DUT pomocí atenuátoru 10 000:1. Tato velká hodnota je potřebná pro nízkofrekvenční měření, kde zisky otevřené smyčky mohou být blízko hodnoty dc. (Například při frekvenci, kde je zisk 1 000 000, by 1-v rms signál aplikoval 100 µV na vstup zesilovače, což by saturovalo zesilovač, když se snaží dodávat 100-v rms výstup). Měření střídavého proudu se tedy obvykle provádějí při frekvencích od několika set Hz po frekvenci, při které zisk otevřené smyčky klesl na jednotu – nebo velmi opatrně s nižšími vstupními amplitudami, pokud jsou potřebná data o nízkofrekvenčním zisku. Zobrazený jednoduchý atenuátor bude pracovat pouze při frekvencích do 100 kHz nebo tak, i když je věnována velká pozornost zbloudilé kapacitě; při vyšších frekvencích by byl zapotřebí složitější obvod.
poměr odmítnutí v běžném režimu (CMRR) operačního zesilovače je poměr zjevné změny offsetu vyplývající ze změny napětí v běžném režimu k použité změně napětí v běžném režimu. Často je řádově 80 dB až 120 dB při dc, ale nižší při vyšších frekvencích.
zkušební obvod je ideální pro měření CMRR (obrázek 6). Napětí v běžném režimu není aplikováno na vstupní svorky DUT, kde by účinky nízké úrovně pravděpodobně narušily měření, ale napájecí napětí se mění (ve stejném-tj., společný směr, vzhledem ke vstupu), zatímco zbytek obvodu zůstává nerušený.
v obvodu na obrázku 6 se offset měří při TP1 se zásobami ±v (v příkladu +2,5 V a -2,5 V) A opět s oběma zásobami posunutými o + 1 v na + 3,5 V a -1,5 V). Změna offsetu odpovídá změně běžného režimu 1 V, takže dc CMRR je poměr změny offsetu a 1 v.
CMRR označuje změnu offsetu pro změnu běžného režimu, přičemž celkové napájecí napětí je nezměněno. Na druhé straně poměr odmítnutí napájení (PSRR)je poměr změny offsetu ke změně celkového napájecího napětí, přičemž napětí v běžném režimu se nemění ve středu zdroje (Obrázek 7).
použitý obvod je přesně stejný; rozdíl je v tom, že celkové napájecí napětí se změní, zatímco společná úroveň se nezmění. Zde je přepínač od +2.5 V a -2,5 v až + 3 V A -3 V, změna celkového napájecího napětí z 5 V na 6 V. napětí v běžném režimu zůstává ve středu. Výpočet je stejný ,příliš (1000 × TP1 / 1 V).
pro měření AC CMRR a PSRR jsou napájecí napětí modulována napětím, jak je znázorněno na obrázku 8 A obrázku 9. DUT nadále pracuje s otevřenou smyčkou na dc, ale záporná zpětná vazba ac definuje přesný zisk (×100 v diagramech).
pro měření ac CMRR jsou kladné a záporné dodávky do DUT modulovány střídavým napětím s amplitudou píku 1-V. Modulace obou zdrojů je stejná fáze, takže skutečné napájecí napětí je stabilní dc, ale napětí v běžném režimu je sinusová vlna 2V p-p, což způsobuje, že výstup DUT obsahuje střídavé napětí, které se měří při TP2.
pokud má střídavé napětí na TP2 amplitudu píku x voltů (2x volt peak-to-peak), pak CMRR, označovaný jako vstup DUT (tj. před ziskem × 100 ac), je x/100 V a CMRR je poměr tohoto K píku 1 V.
AC PSRR se měří střídavým proudem na kladném a záporném zdroji 180° mimo fázi. To má za následek, že amplituda napájecího napětí je modulována (opět v příkladu s 1 v špičkou, 2 V p-p), zatímco napětí v běžném režimu zůstává stabilní na stejnosměrném. Výpočet je velmi podobný předchozímu.
závěr
existuje samozřejmě mnoho dalších parametrů operačního zesilovače, které je třeba měřit, a řada dalších způsobů měření těch, o kterých jsme diskutovali, ale nejzákladnější parametry stejnosměrného a střídavého proudu lze, jak jsme viděli, spolehlivě měřit jednoduchým základním obvodem, který je snadno konstruován, snadno pochopitelný a pozoruhodně bez problémů.
Leden 2018: změnili jsme C1=1uF na C1=5uF. Ukázalo se, že pomocný integrátor operačního zesilovače má stále dostatečný zisk, aby způsobil uzavřenou smyčku až 10dB při nebo asi 40Hz přeměnu na 40Hz oscilaci.
simulace ukazuje, že lze zabránit snížením pólové frekvence o faktor 5.