Simple Op Amp målinger
Op ampere er meget høj gain forstærkere med differentielle indgange og Single-ended udgange. De bruges ofte i analoge kredsløb med høj præcision, så det er vigtigt at måle deres ydeevne nøjagtigt. Men i open loop-målinger gør deres høje open loop-forstærkning, som kan være så stor som 107 eller mere, det meget svært at undgå fejl fra meget små spændinger ved forstærkerindgangen på grund af pickup, stray currents eller Seebeck (termoelement) effekt.
måleprocessen kan i høj grad forenkles ved hjælp af en servosløjfe til at tvinge en null ved forstærkerindgangen, hvilket gør det muligt for forstærkeren, der testes, i det væsentlige at måle sine egne fejl. Figur 1 viser et alsidigt kredsløb, der anvender dette princip, ved hjælp af en ekstra op-forstærker som integrator til at etablere en stabil sløjfe med meget høj dc open-loop-forstærkning. Kontakterne letter udførelsen af de forskellige tests, der er beskrevet i de forenklede illustrationer, der følger.
kredsløbet i Figur 1 minimerer de fleste målefejl og tillader nøjagtige målinger af et stort antal dc—og et par ac—parametre. Den ekstra “ekstra” op-forstærker har ikke brug for bedre ydelse end den op-forstærker, der måles. Det er nyttigt, hvis det har dc open-loop-forstærkning på en million eller mere; hvis forskydningen af enheden under test (DUT) sandsynligvis vil overstige et par mV, skal hjælpeforstærkeren betjenes fra lod 15-V-forsyninger (og hvis DUT ‘ s indgangsforskydning kan overstige 10 mV, skal 99,9-k-modstanden, R3, reduceres).
FORSYNINGSSPÆNDINGERNE, +V og –V, af DUT er af samme størrelse og modsat tegn. Den samlede forsyningsspænding er, selvfølgelig, 2 liter V. symmetriske forsyninger anvendes, selv med “enkeltforsyning” op-forstærkere med dette kredsløb, da systemets jordreference er midtpunktet for forsyningerne.
hjælpeforstærkeren, som integrator, er konfigureret til at være åben sløjfe (fuld forstærkning) ved dc, men dens indgangsmodstand og feedbackkondensator begrænser dens båndbredde til et par gange. Dette betyder, at jævnspændingen ved udgangen af DUT forstærkes af hjælpeforstærkerens fulde forstærkning og påføres via en 1000:1 dæmperen til DUT ‘ ens ikke-inverterende indgang. Negativ feedback tvinger udgangen af DUT til jordpotentiale. (Faktisk er den faktiske spænding forskydningsspændingen på hjælpeforstærkeren-eller, hvis vi skal være virkelig omhyggelige, denne forskydning plus spændingsfaldet i 100—k-modstanden på grund af hjælpeforstærkerens forspændingsstrøm-men dette er tæt nok til jorden til at være uvæsentligt, især da ændringerne i dette punkts spænding under målinger sandsynligvis ikke overstiger et par mikrovolt).
spændingen på testpunktet, TP1, er 1000 gange korrektionsspændingen (lig med størrelsen af fejlen), der påføres indgangen til DUT. Dette vil være snesevis af mV eller mere og, så, ganske let at måle.
en ideel op-forstærker har nul offset spænding (Vos); det vil sige, hvis begge indgange er sammenføjet og holdt ved en spænding midt imellem forsyningerne, skal udgangsspændingen også være midt imellem forsyningerne. I det virkelige liv, op-forstærkere har forskydninger, der spænder fra et par mikrovolt til et par millivolt—så en spænding i dette interval skal påføres indgangen for at bringe output til midtvejspotentialet.
figur 2 viser konfigurationen for den mest basale testforskydningsmåling. DUT-udgangsspændingen er på jorden, når spændingen på TP1 er 1000 gange dens forskydning.
den ideelle op forstærker har uendelig indgangsimpedans og ingen strøm strømmer i sine indgange. I virkeligheden strømmer små “bias”– strømme i de inverterende og ikke-inverterende indgange (henholdsvis Ib-og Ib+); de kan forårsage betydelige forskydninger i højimpedanskredsløb. De kan variere, afhængigt af op amp—typen, fra et par femtoamperes (1 fA = 10-15 A—en elektron hvert par mikrosekunder) til et par nanoamperes, eller endda—i nogle meget hurtige op ampere-en eller to mikroampere. Figur 3 viser, hvordan disse strømme kan måles.
kredsløbet er det samme som forskydningskredsløbet i figur 2 med tilsætning af to modstande, R6 og R7, i serie med DUT-indgangene. Disse modstande kan kortsluttes ved hjælp af afbrydere S1 og S2. Når begge kontakter er lukket, er kredsløbet det samme som figur 2. Når S1 er åben, strømmer forspændingsstrømmen fra den inverterende indgang i Rs, og spændingsforskellen tilføjer forskydningen. Ved at måle spændingsændringen ved TP1 (=1000 Ib–liter Rs) kan vi beregne Ib–; på samme måde kan vi ved at lukke S1 og åbne S2 måle Ib+. Hvis spændingen måles ved TP1 med S1 og S2 begge lukket og derefter begge åbne, måles “input offset current”, Ios, forskellen mellem Ib+ og Ib–, ved ændringen. Værdierne for R6 og R7, der anvendes, afhænger af de strømme, der skal måles.
for værdier af Ib i størrelsesordenen 5 pA eller mindre bliver det ret vanskeligt at bruge dette kredsløb på grund af de involverede store modstande; andre teknikker kan være påkrævet, sandsynligvis involverer den hastighed, hvormed Ib oplader kondensatorer med lav lækage (der erstatter Rs).
når S1 og S2 er lukket, flyder Ios stadig i 100-liters modstande og introducerer en fejl i Vos, men medmindre Ios er stor nok til at producere en fejl, der er større end 1% af den målte Vos, kan den normalt ignoreres i denne beregning.
open-loop dc forstærkning af en op forstærker kan være meget høj; gevinster større end 107 er ikke ukendte, men værdier mellem 250.000 og 2.000.000 er mere sædvanlige. Dc-forstærkningen måles ved at tvinge DUT-udgangen til at bevæge sig med en kendt mængde (1 V i figur 4, Men 10 V, hvis enheden kører på store nok forsyninger til at tillade dette) ved at skifte R5 mellem DUT-udgangen og en 1-v-reference med S6. Hvis R5 er ved +1 V, skal DUT-udgangen flytte til -1 V, hvis indgangen til hjælpeforstærkeren skal forblive uændret nær nul.
spændingsændringen ved TP1, svækket af 1000:1, er indgangen til DUT, hvilket forårsager en 1-V ændring af output. Det er nemt at beregne gevinsten fra dette (= 1000 Udbytte 1 V/TP1).
for at måle AC-forstærkningen med åben sløjfe er det nødvendigt at injicere et lille ac-signal med den ønskede frekvens ved DUT-indgangen og måle det resulterende signal ved dets udgang (TP2 i figur 5). Mens dette gøres, fortsætter hjælpeforstærkeren med at stabilisere det gennemsnitlige dc-niveau ved DUT-udgangen.
i figur 5 tilføres vekselstrømssignalet til dut-indgangen via en 10.000:1 lyddæmper. Denne store værdi er nødvendig for lavfrekvente målinger, hvor open-loop gevinster kan være nær dc-værdien. (For eksempel ved en frekvens, hvor forstærkningen er 1.000.000, ville et 1-V rms-signal anvende 100 liter ved forstærkerindgangen, hvilket ville mætte forstærkeren, da den søger at levere 100-V rms-udgang). Så ac-målinger foretages normalt ved frekvenser fra et par hundrede HS til den frekvens, hvor open-loop—forstærkningen er faldet til enhed-eller meget omhyggeligt med lavere indgangsamplituder, hvis der er behov for lavfrekvente forstærkningsdata. Den viste enkle lyddæmper fungerer kun ved frekvenser op til 100 KHS eller deromkring, selvom der udvises stor omhu med omstrejfende kapacitans; ved højere frekvenser ville der være behov for et mere komplekst kredsløb.
common-mode afvisning ratio (CMRR) for en op-forstærker er forholdet mellem tilsyneladende ændring af forskydning som følge af en ændring af common-mode spænding til den anvendte ændring af common-mode spænding. Det er ofte i størrelsesordenen 80 dB til 120 dB ved dc, men lavere ved højere frekvenser.
testkredsløbet er ideelt egnet til måling af CMRR (figur 6). Common-mode-spændingen anvendes ikke på DUT-indgangsterminalerne, hvor effekter på lavt niveau sandsynligvis vil forstyrre målingen, men strømforsyningsspændingerne ændres (i det samme-dvs. i forhold til indgangen), mens resten af kredsløbet efterlades uforstyrret.
i kredsløbet i figur 6 måles forskydningen ved TP1 med forsyninger af kurvv (i eksemplet +2,5 V og -2,5 V) og igen med begge forsyninger flyttet op med +1 V til +3,5 V og -1,5 v). Ændringen af forskydning svarer til en ændring af fælles tilstand på 1 V, så dc CMRR er forholdet mellem forskydningsændringen og 1 V.
CMRR henviser til ændring af forskydning for en ændring af fælles tilstand, hvor den samlede strømforsyningsspænding er uændret. Strømforsyningsafvisningsforholdet (PSRR) er på den anden side forholdet mellem ændringen af forskydning og ændringen af den samlede strømforsyningsspænding, hvor common-mode-spændingen er uændret i midtpunktet af forsyningen (Figur 7).
det anvendte kredsløb er nøjagtigt det samme; forskellen er, at den samlede Forsyningsspænding ændres, mens det fælles niveau er uændret. Her er kontakten fra +2.5 V og -2,5 V til + 3 V og -3 V, en ændring af den samlede Forsyningsspænding fra 5 V til 6 V. common-mode spændingen forbliver ved midtpunktet. Beregningen er den samme, også (1000 liter TP1/1 V).
for at måle AC CMRR og PSRR moduleres forsyningsspændingerne med spændinger, som vist i figur 8 og figur 9. DUT fortsætter med at fungere open-loop på dc, men ac negativ feedback definerer en nøjagtig gevinst (kursiv 100 i diagrammerne).
for at måle ac CMRR moduleres de positive og negative forsyninger til DUT med ac-spændinger med amplitude på 1-V-top. Moduleringen af begge forsyninger er den samme fase, så den faktiske forsyningsspænding er stabil dc, men common-mode spændingen er en sinusbølge på 2V p-p, hvilket får DUT-udgangen til at indeholde en vekselstrømsspænding, som måles ved TP2.
hvis vekselstrømsspændingen ved TP2 har en amplitude på volt peak (2 volt peak-to-peak), så er CMRR, der henvises til dut-indgangen (dvs.før den 100 ac-forstærkning) er H/100 V, og CMRR er forholdet mellem dette og 1 V peak.
AC PSRR måles med ac på de positive og negative forsyninger 180 liter ud af fase. Dette resulterer i, at amplituden af forsyningsspændingen moduleres (igen i eksemplet med 1 V-top, 2 V p-p), mens common-mode-spændingen forbliver stabil ved dc. Beregningen ligner meget den foregående.
konklusion
der er selvfølgelig mange andre op amp-parametre, som muligvis skal måles, og en række andre måder at måle dem, vi har diskuteret, men de mest basale dc-og ac-parametre kan, som vi har set, måles pålideligt med et simpelt basiskredsløb, der let kan konstrueres, let forstås og bemærkelsesværdigt fri for problemer.
Jan 2018: Vi ændrede C1=1UF til C1=5uf. Det viste sig, at den ekstra Op Amp integrator stadig har tilstrækkelig gevinst til at forårsage lukket looppeaking på op til 10dB ved eller omkring 40h ‘erne bliver til en 40h’ s svingning.
simulering viser, at det kan forhindres ved at reducere polfrekvensen med en faktor på 5.