Enkle Op Amp Målinger
Op forsterkere er svært høy gevinst forsterkere med differensial innganger og single-ended utganger. De brukes ofte i analoge kretser med høy presisjon, så det er viktig å måle ytelsen nøyaktig. Men i åpen sløyfe målinger deres høy åpen sløyfe gevinst, som kan være så stor som 107 eller mer, gjør det svært vanskelig å unngå feil fra svært små spenninger på forsterkerinngangen på grunn av pickup, bortkommen strømmer, eller seebeck (thermocouple) effekt.
måleprosessen kan i stor grad forenkles ved å bruke en servosløyfe for å tvinge null ved forsterkerinngangen, slik at forsterkeren under test i hovedsak måler sine egne feil. Figur 1 viser en allsidig krets som benytter dette prinsippet, ansette en ekstra op amp som integrator for å etablere en stabil sløyfe med svært høy dc åpen sløyfe gevinst. Bryterne letter ytelsen til de ulike testene som er beskrevet i de forenklede illustrasjonene som følger.
kretsen I Figur 1 minimerer de fleste målefeilene og tillater nøyaktige målinger av et stort antall dc—og noen få ac—parametere. Den ekstra» auxiliary » op amp trenger ikke bedre ytelse enn op amp blir målt. Det er nyttig hvis den har dc open-loop gevinst på en million eller mer; hvis forskyvningen av enheten under test (DUT) sannsynligvis vil overstige noen mV, bør tilleggsop amp betjenes fra ±15-V forsyninger (og hvis DUTS inngangsforskyvning kan overstige 10 mV, må 99.9-kΩ motstanden, R3, reduseres).
forsyningsspenningene, + V og-V, av DUT er av samme størrelse og motsatt tegn. Den totale forsyningsspenningen er selvfølgelig 2 × V. Symmetriske forsyninger brukes, selv med» single supply » op ampere med denne kretsen, da systemets grunnreferanse er midtpunktet på forsyningene.
hjelpeforsterkeren, som integrator, er konfigurert til å være åpen sløyfe (full gevinst) ved dc, men inngangsmotstanden og tilbakemeldingskondensatoren begrenser båndbredden til Noen Få Hz. Dette betyr at likespenningen ved utgangen av DUT forsterkes av full forsterkning av hjelpeforsterkeren og påføres, via en 1000: 1-demperen, til den ikke-inverterende inngangen til DUT. Negativ tilbakemelding tvinger utgangen AV DUT til jordpotensial. (Faktisk er den faktiske spenningen offsetspenningen til hjelpeforsterkeren-eller, hvis vi skal være veldig nøye—denne forskyvningen pluss spenningsfallet i 100-kΩ motstanden på grunn av hjelpeforsterkerens forspenningsstrøm-men dette er nær nok til bakken for å være ubetydelig, særlig ettersom endringene i dette punktets spenning under målinger er usannsynlig å overstige noen få mikrovolt).
spenningen på testpunktet, TP1, er 1000 ganger korreksjonsspenningen (lik i størrelsen til feilen) som påføres INNGANGEN til DUT. Dette vil være titalls mV eller mer, og så ganske enkelt å måle.
en ideell op amp har null offset spenning( Vos); det vil si at hvis begge inngangene er sammenføyet og holdt ved en spenning midt mellom forsyningene, bør utgangsspenningen også være midt mellom forsyningene. I virkeligheten har op-forsterkere forskyvninger som spenner fra noen få mikrovolt til noen få millivolt—så en spenning i dette området må påføres inngangen for å bringe utgangen til midtveispotensialet.
Figur 2 viser konfigurasjonen for den mest grunnleggende test—offset måling. Dut-utgangsspenningen er på bakken når spenningen PÅ TP1 er 1000 ganger offset.
den ideelle op amp har uendelig inngangsimpedans og ingen strøm flyter i inngangene. I virkeligheten strømmer små «bias» strømmer i inverterende og ikke-inverterende innganger (Henholdsvis Ib– og ib+); de kan forårsake betydelige forskyvninger i høyimpedanskretser. De kan variere, avhengig av op amp-typen, fra noen få femtoampere (1 fA = 10-15 a—en elektron hvert par mikrosekunder) til noen få nanoampere, eller til og med—i noen veldig raske op—forsterkere-en eller to mikroampere. Figur 3 viser hvordan disse strømmene kan måles.
kretsen er den samme som forskyvningskretsen I Figur 2, med tillegg av to motstander, R6 Og R7, i serie med DUT-inngangene. Disse motstandene kan kortsluttes av brytere S1 Og S2. Med begge bryterne lukket, er kretsen den Samme Som Figur 2. Når S1 er åpen, strømmer biasstrømmen fra inverterende inngang I Rs, og spenningsforskjellen legger til forskyvningen. Ved å måle spenningsendringen VED TP1 (=1000 Ib–×Rs) kan vi beregne Ib -; på samme måte kan vi ved å lukke S1 og åpne S2 måle Ib+. Hvis spenningen måles VED TP1 med S1 og S2 begge lukket, og deretter begge åpne, måles «input offset current», Ios, forskjellen mellom Ib+ og Ib–, ved endringen. Verdiene For r6 og R7 som brukes vil avhenge av strømmen som skal måles.
for verdier av ib i størrelsesorden 5 pA eller mindre, blir det ganske vanskelig å bruke denne kretsen på grunn av de store motstander involvert; andre teknikker kan være nødvendig, sannsynligvis involverer hastigheten Som Ib kostnader lav-lekkasje kondensatorer (som erstatter Rs).
Når S1 og S2 er stengt, Flyter Ios fortsatt i de 100-Ω motstandene og introduserer en feil I Vos, men Med Mindre Ios er stor nok til å produsere en feil større enn 1% av de målte Vos, kan Det vanligvis ignoreres i denne beregningen.
den åpne dc-forsterkningen på en op-forsterker kan være veldig høy; gevinster større enn 107 er ikke ukjente, men verdier mellom 250.000 og 2.000.000 er mer vanlige. Dc-forsterkningen måles ved å tvinge utgangen AV DUT til å bevege seg med en kjent mengde (1 V i Figur 4, men 10 V hvis enheten kjører på store nok forsyninger for å tillate dette) ved å bytte R5 mellom DUT-utgangen og en 1-V-referanse Med S6. Hvis R5 er på + 1 V, må DUT-utgangen flytte til -1 V hvis inngangen til hjelpeforsterkeren skal forbli uendret nær null.
spenningsendringen VED TP1, dempet med 1000: 1, er inngangen TIL DUT, noe som forårsaker en 1-V endring av utgang. Det er enkelt å beregne gevinsten fra dette (= 1000 × 1 V / TP1).
for å måle ac-forsterkningen med åpen sløyfe, er det nødvendig å injisere et lite ac-signal av ønsket frekvens ved DUT-inngangen og måle det resulterende signalet ved utgangen (TP2 I Figur 5). Mens dette blir gjort, fortsetter hjelpeforsterkeren å stabilisere det gjennomsnittlige dc-nivået VED DUT-utgangen.
I Figur 5 blir ac-signalet påført DUT-inngangen via en 10,000: 1-demperen. Denne store verdien er nødvendig for lavfrekvente målinger, hvor åpen sløyfe gevinster kan være nær dc-verdien. (For eksempel, ved en frekvens hvor gevinsten er 1.000.000, vil et 1-V rms-signal bruke 100 µ ved forsterkerinngangen, noe som vil mette forsterkeren når den søker å levere 100-V rms-utgang). Så ac-målinger gjøres normalt ved frekvenser fra noen få hundre Hz til frekvensen der åpen sløyfe-forsterkningen har falt til enhet – eller veldig nøye med lavere inngangsamplituder hvis lavfrekvente forsterkningsdata er nødvendig. Den enkle attenuator vist vil bare fungere på frekvenser opp til 100 kHz eller så, selv om stor forsiktighet er tatt med bortkommen kapasitans; ved høyere frekvenser en mer kompleks krets ville være nødvendig.
COMMON-mode rejection ratio (CMRR) av en op amp er forholdet mellom tilsynelatende endring av offset som følge av en endring av common-mode spenning til anvendt endring av common-mode spenning. Det er ofte i størrelsesorden 80 dB til 120 dB ved dc, men lavere ved høyere frekvenser.
testkretsen er ideell til å måle CMRR (Figur 6). Spenningen i common-mode brukes ikke på DUT – inngangsterminaler, der effekter på lavt nivå sannsynligvis vil forstyrre målingen, men strømforsyningsspenningene endres (i samme—dvs., common-retning, i forhold til inngangen), mens resten av kretsen er igjen uforstyrret.
i kretsen I Figur 6 måles forskyvningen VED TP1 med forsyninger av ±V (i eksemplet +2,5 V og -2,5 V) og igjen med begge forsyningene flyttet opp med +1 V til +3,5 V og -1,5 V). Endringen av forskyvning tilsvarer en endring av felles modus på 1 V, så dc CMRR er forholdet mellom offsetendringen og 1 V.
CMRR refererer til endring av forskyvning for en endring av felles modus, den totale strømforsyningsspenningen er uendret. Strømforsyningsavvisningsforholdet (PSRR) er derimot forholdet mellom endringen av forskyvning og endringen av total strømforsyningsspenning, med fellesmodusspenningen uendret ved midtpunktet av forsyningen (Figur 7).
kretsen som brukes er nøyaktig den samme; forskjellen er at den totale forsyningsspenningen endres, mens det vanlige nivået er uendret. Her er bryteren fra + 2.5 v og -2,5 V til + 3 V og -3 V, en endring av total forsyningsspenning fra 5 V til 6 V. fellesmodusspenningen forblir midtpunktet. Beregningen er den samme ,også (1000 × TP1 / 1 V).
for å måle ac CMRR og PSRR moduleres forsyningsspenningene med spenninger, som vist i Figur 8 og figur 9. DUT fortsetter å operere åpen sløyfe ved dc, men ac negativ tilbakemelding definerer en nøyaktig gevinst (×100 i diagrammene).
for å måle ac CMRR, moduleres de positive OG negative forsyningene TIL DUT med vekselstrømspenninger med amplitude på 1-v topp. Moduleringen av begge forsyningene er den samme fasen, slik at den faktiske forsyningsspenningen er jevn dc, men fellesmodusspenningen er en sinusbølge PÅ 2V p-p, noe som får DUT-utgangen til å inneholde en vekselstrøm, som måles VED TP2.
hvis vekselstrømspenningen VED TP2 har en amplitude på x volt topp (2x volt topp-til-topp), så ER CMRR, referert til DUT-inngangen (det vil si før den ×100 ac-forsterkningen) x/100 V, OG CMRR er forholdet mellom dette og 1 v topp.
AC PSRR måles med ac på de positive og negative forsyningene 180° ute av fase. Dette resulterer i amplituden til forsyningsspenningen som moduleres (igjen, i eksemplet, med 1 v topp, 2 V p-p) mens common-mode spenningen forblir stabil ved dc. Beregningen er veldig lik den forrige.
Konklusjon
det er selvfølgelig mange andre op amp-parametere som kanskje må måles, og en rekke andre måter å måle de vi har diskutert, men de mest grunnleggende dc – og ac-parametrene kan, som vi har sett, måles pålitelig med en enkel grunnleggende krets som er lett konstruert, lett forstått og bemerkelsesverdig fri for problemer.
Jan 2018: vi endret C1=1uf Til C1=5uf. Det viste seg at Aux Op Amp integrator fortsatt har tilstrekkelig gevinst til å forårsake lukket looppeaking av opp til 10db på eller om 40Hz snu til en 40hz Svingning.
Simulering viser at Det kan forhindres ved å redusere polfrekvensen med en faktor på 5.