Einfache Op Amp Messungen
Op amps sind sehr high gain verstärker mit differential eingänge und single-ended ausgänge. Sie werden häufig in hochpräzisen analogen Schaltungen verwendet, daher ist es wichtig, ihre Leistung genau zu messen. Bei Open-Loop-Messungen ist es jedoch aufgrund ihrer hohen Open-Loop-Verstärkung, die bis zu 107 oder mehr betragen kann, sehr schwierig, Fehler durch sehr kleine Spannungen am Verstärkereingang aufgrund von Tonabnehmern, Streuströmen oder dem Seebeck-Effekt (Thermoelement) zu vermeiden.
Der Messvorgang kann erheblich vereinfacht werden, indem eine Servoschleife verwendet wird, um eine Null am Verstärkereingang zu erzwingen, sodass der zu prüfende Verstärker im Wesentlichen seine eigenen Fehler messen kann. Abbildung 1 zeigt eine vielseitige Schaltung, die dieses Prinzip verwendet und einen zusätzlichen Operationsverstärker als Integrator verwendet, um eine stabile Schleife mit sehr hoher DC-Open-Loop-Verstärkung herzustellen. Die Schalter erleichtern die Durchführung der verschiedenen Tests, die in den folgenden vereinfachten Abbildungen beschrieben sind.
Die Schaltung in Bild 1 minimiert die meisten Messfehler und ermöglicht genaue Messungen einer großen Anzahl von DC— und wenigen AC—Parametern. Der zusätzliche „Hilfs“ -Operationsverstärker benötigt keine bessere Leistung als der zu messende Operationsverstärker. Es ist hilfreich, wenn es eine DC-Open-Loop-Verstärkung von einer Million oder mehr hat; Wenn der Offset des zu prüfenden Geräts (DUT) wahrscheinlich einige mV überschreitet, sollte der Hilfs-Operationsverstärker mit ± 15-V-Versorgungsspannungen betrieben werden (und wenn der Eingangs-Offset des Prüflings 10 mV überschreiten kann, muss der 99,9-kΩ-Widerstand R3 reduziert werden).
Die Versorgungsspannungen +V und -V des Prüflings sind gleich groß und haben entgegengesetztes Vorzeichen. Die Gesamtversorgungsspannung beträgt, Na sicher, 2 × V. Symmetrische Versorgungen werden verwendet, sogar mit „Single Supply“ -Operationsverstärkern mit dieser Schaltung, da die Systemmassenreferenz der Mittelpunkt der Versorgungen ist.
Der Zusatzverstärker als Integrator ist so konfiguriert, dass er bei Gleichstrom eine offene Schleife (volle Verstärkung) aufweist, aber sein Eingangswiderstand und sein Rückkopplungskondensator begrenzen seine Bandbreite auf einige Hz. Dies bedeutet, dass die Gleichspannung am Ausgang des Prüflings um die volle Verstärkung des Hilfsverstärkers verstärkt und über einen 1000:1-Abschwächer an den nichtinvertierenden Eingang des Prüflings angelegt wird. Negative Rückkopplung zwingt den Ausgang des Prüflings auf Massepotential. (Tatsächlich ist die tatsächliche Spannung die Offsetspannung des Hilfsverstärkers — oder, wenn wir wirklich genau sein wollen, dieser Offset plus der Spannungsabfall im 100-kΩ—Widerstand aufgrund des Vorspannungsstroms des Hilfsverstärkers -, aber dies ist nahe genug an der Masse, um unwichtig zu sein, zumal die Änderungen der Spannung dieses Punktes während der Messungen wahrscheinlich nicht einige Mikrovolt überschreiten).
Die Spannung am Prüfpunkt TP1 ist das 1000-fache der Korrekturspannung (gleich groß wie der Fehler), die am Eingang des Prüflings anliegt. Dies sind zehn mV oder mehr und daher recht einfach zu messen.
Ein idealer Operationsverstärker hat eine Null-Offset-Spannung (Vos); Das heißt, wenn beide Eingänge miteinander verbunden sind und auf einer Spannung in der Mitte zwischen den Versorgungen gehalten werden, sollte die Ausgangsspannung auch in der Mitte zwischen den Versorgungen liegen. Im echten Leben, Operationsverstärker haben Offsets von einigen Mikrovolt bis zu einigen Millivolt – daher muss eine Spannung in diesem Bereich an den Eingang angelegt werden, um den Ausgang auf das mittlere Potenzial zu bringen.
Abbildung 2 zeigt die Konfiguration für die grundlegendste Test-Offset-Messung. Die DUT-Ausgangsspannung liegt an Masse, wenn die Spannung an TP1 das 1000-fache ihres Offsets beträgt.
Der ideale Operationsverstärker hat eine unendliche Eingangsimpedanz und in seinen Eingängen fließt kein Strom. In Wirklichkeit fließen kleine „Bias“ -Ströme in den invertierenden und nichtinvertierenden Eingängen (Ib– bzw. Ib +); Sie können in hochohmigen Schaltungen signifikante Offsets verursachen. Sie können je nach OP—Amp—Typ von einigen Femtoampere (1 fA = 10-15 A — ein Elektron alle paar Mikrosekunden) bis zu einigen Nanoampere oder sogar – in einigen sehr schnellen Op-Amps – ein oder zwei Mikroampere reichen. Abbildung 3 zeigt, wie diese Ströme gemessen werden können.
Die Schaltung ist die gleiche wie die Offset-Schaltung in Abbildung 2, mit der Hinzufügung von zwei Widerständen, R6 und R7, in Reihe mit den DUT-Eingängen. Diese Widerstände können durch die Schalter S1 und S2 kurzgeschlossen werden. Wenn beide Schalter geschlossen sind, ist der Stromkreis derselbe wie in Abbildung 2. Wenn S1 geöffnet ist, fließt der Vorspannungsstrom vom invertierenden Eingang in Rs, und die Spannungsdifferenz addiert sich zum Offset. Durch Messen der Spannungsänderung an TP1 (= 1000 Ib– × Rs) können wir Ib– berechnen; In ähnlicher Weise können wir durch Schließen von S1 und Öffnen von S2 Ib + messen. Wenn die Spannung an TP1 gemessen wird, wobei S1 und S2 beide geschlossen und dann beide geöffnet sind, wird der „Eingangsoffsetstrom“ Ios, die Differenz zwischen Ib + und Ib–, durch die Änderung gemessen. Die verwendeten Werte von R6 und R7 hängen von den zu messenden Strömen ab.
Für Werte von Ib in der Größenordnung von 5 pA oder weniger wird es ziemlich schwierig, diese Schaltung wegen der großen Widerstände zu verwenden; andere Techniken können erforderlich sein, wahrscheinlich mit der Rate, mit der Ib leckarme Kondensatoren auflädt (die Rs ersetzen).
Wenn S1 und S2 geschlossen sind, fließt Ios immer noch in den 100-Ω-Widerständen und führt einen Fehler in Vos ein, aber wenn Ios nicht groß genug ist, um einen Fehler von mehr als 1% des gemessenen Vos zu erzeugen, kann es normalerweise in dieser Berechnung ignoriert werden.
Die Open-Loop-DC-Verstärkung eines Operationsverstärkers kann sehr hoch sein; gewinne größer als 107 sind nicht unbekannt, aber Werte zwischen 250.000 und 2.000.000 sind üblicher. Die Gleichstromverstärkung wird gemessen, indem der Ausgang des Prüflings gezwungen wird, sich um einen bekannten Betrag zu bewegen (1 V in Abbildung 4, aber 10 V, wenn das Gerät mit ausreichend großen Netzteilen betrieben wird, um dies zu ermöglichen), indem R5 zwischen dem Prüflingsausgang und A umgeschaltet wird 1-V-Referenz mit S6. Wenn R5 bei +1 V liegt, muss sich der DUT-Ausgang auf -1 V bewegen, wenn der Eingang des Hilfsverstärkers unverändert nahe Null bleiben soll.
Die Spannungsänderung an TP1, gedämpft um 1000:1, ist der Eingang zum Prüfling, der eine 1-V-Änderung des Ausgangs bewirkt. Es ist einfach, die Verstärkung daraus zu berechnen (= 1000 × 1 V / TP1).
Um die Open-Loop-Ac-Verstärkung zu messen, muss ein kleines AC-Signal der gewünschten Frequenz am DUT-Eingang eingespeist und das resultierende Signal an seinem Ausgang gemessen werden (TP2 in Abbildung 5). Während dies geschieht, stabilisiert der Hilfsverstärker weiterhin den mittleren Gleichspannungspegel am DUT-Ausgang.
In Abbildung 5 wird das AC-Signal über einen 10.000:1-Abschwächer an den DUT-Eingang angelegt. Dieser große Wert wird für Niederfrequenzmessungen benötigt, bei denen die Open-Loop-Verstärkung in der Nähe des Gleichstromwerts liegen kann. (Bei einer Frequenz mit einer Verstärkung von 1.000.000 würde beispielsweise ein 1-V-Effektivwertsignal 100 µV am Verstärkereingang anlegen, was den Verstärker sättigen würde, wenn er einen 100-V-Effektivwertausgang liefern möchte). Daher werden Wechselstrommessungen normalerweise bei Frequenzen von einigen hundert Hz bis zu der Frequenz durchgeführt, bei der die Open-Loop—Verstärkung auf Einheit gefallen ist – oder sehr vorsichtig mit niedrigeren Eingangsamplituden, wenn niederfrequente Verstärkungsdaten benötigt werden. Der gezeigte einfache Abschwächer funktioniert nur bei Frequenzen bis zu 100 kHz oder so, selbst wenn große Sorgfalt bei der Streukapazität angewendet wird; Bei höheren Frequenzen wäre eine komplexere Schaltung erforderlich.
Das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) eines Operationsverstärkers ist das Verhältnis der scheinbaren Änderung des Offsets, die sich aus einer Änderung der Gleichtaktspannung zur angelegten Änderung der Gleichtaktspannung ergibt. Es ist oft in der Größenordnung von 80 dB bis 120 dB bei Gleichstrom, aber niedriger bei höheren Frequenzen.
Die Testschaltung ist ideal für die Messung von CMRR geeignet (Abbildung 6). Die Gleichtaktspannung wird nicht an die DUT-Eingangsklemmen angelegt, wo Low-Level-Effekte wahrscheinlich die Messung stören würden, aber die Versorgungsspannungen werden verändert (in der gleichen —d.h., common-Direction, relativ zum Eingang), während der Rest der Schaltung ungestört bleibt.
In der Schaltung von Abbildung 6 wird der Offset bei TP1 mit Versorgungsspannungen von ±V (im Beispiel +2,5 V und -2,5 V) und wieder mit beiden Versorgungsspannungen um +1 V auf +3,5 V und -1,5 V erhöht) gemessen. Die Änderung des Offsets entspricht einer Änderung des Gleichtakts von 1 V, so dass der Gleichstrom CMRR das Verhältnis der Offsetänderung zu 1 V ist.
CMRR bezieht sich auf die Änderung des Offsets für eine Änderung des Gleichtakts, wobei die gesamte Versorgungsspannung unverändert bleibt. Das Stromversorgungsunterdrückungsverhältnis (PSRR) ist dagegen das Verhältnis der Änderung des Offsets zur Änderung der gesamten Stromversorgungsspannung, wobei die Gleichtaktspannung im Mittelpunkt der Versorgung unverändert bleibt (Abbildung 7).
Die verwendete Schaltung ist genau die gleiche; Der Unterschied besteht darin, dass die gesamte Versorgungsspannung geändert wird, während der gemeinsame Pegel unverändert bleibt. Hier ist der Schalter von +2.5 V und -2,5 V auf +3 V und -3 V, eine Änderung der gesamten Versorgungsspannung von 5 V auf 6 V. Die Gleichtaktspannung bleibt im Mittelpunkt. Die Berechnung ist die gleiche, auch (1000 × TP1/ 1 V).
Zur Messung von AC-CMRR und PSRR werden die Versorgungsspannungen mit Spannungen moduliert, wie in Abbildung 8 und Abbildung 9 dargestellt. Der Prüfling arbeitet weiterhin offen bei Gleichstrom, aber die negative AC-Rückkopplung definiert eine genaue Verstärkung (× 100 in den Diagrammen).
Um AC CMRR zu messen, werden die positiven und negativen Versorgungen des Prüflings mit Wechselspannungen mit einer Amplitude von 1 V Peak moduliert. Die modulation von sowohl liefert ist die gleiche phase, so dass die tatsächliche versorgung spannung ist stetige dc, aber die gemeinsame-modus spannung ist eine sinus welle von 2 V p-p, die bewirkt, dass die DUT ausgang zu enthalten eine ac spannung, die ist gemessen bei TP2.
Wenn die Wechselspannung an TP2 eine Amplitude von x Volt Spitze (2x Volt Spitze zu Spitze) hat, dann ist der CMRR, bezogen auf den DUT-Eingang (dh vor der × 100 AC-Verstärkung), x / 100 V, und der CMRR ist das Verhältnis von diesem zu 1 V Spitze.
AC PSRR wird mit dem AC an der positiven und negativen Versorgung 180° phasenverschoben gemessen. Dies führt dazu, dass die Amplitude der Versorgungsspannung moduliert wird (wiederum im Beispiel mit 1 V peak, 2 V p-p), während die Gleichtaktspannung bei DC stabil bleibt. Die Berechnung ist der vorherigen sehr ähnlich.
Fazit
Es gibt natürlich viele andere Operationsverstärkerparameter, die möglicherweise gemessen werden müssen, und eine Reihe anderer Messmethoden, die wir besprochen haben, aber die grundlegendsten DC- und AC-Parameter können, wie wir gesehen haben, zuverlässig mit einer einfachen Grundschaltung gemessen werden, die leicht aufgebaut, leicht verständlich und bemerkenswert problemfrei ist.
Jan 2018: Wir geändert C1 = 1 uf zu C1 = 5 uf. Es stellte sich heraus, dass der Hilfs-Operationsverstärker-Integrator immer noch eine ausreichende Verstärkung aufweist, um ein geschlossenes Loopeaking von bis zu 10 dB bei oder über 40 Hz zu verursachen, das sich in eine 40-Hz-Schwingung verwandelt.
Die Simulation zeigt, dass dies durch Verringern der Polfrequenz um den Faktor 5 verhindert werden kann.