eenvoudige Op Amp metingen
Op versterkers zijn zeer hoge versterkers met differentiële ingangen en single-ended uitgangen. Ze worden vaak gebruikt in analoge circuits met hoge precisie, dus het is belangrijk om hun prestaties nauwkeurig te meten. Maar in open-loop metingen hun hoge open-loop winst, die kan zijn zo groot als 107 of meer, maakt het zeer moeilijk om fouten te voorkomen van zeer kleine spanningen op de versterker ingang als gevolg van pick-up, verdwaalde stromen, of het Seebeck (thermokoppel) effect.
het meetproces kan sterk worden vereenvoudigd door een servolus te gebruiken om een nul op de versterkerinput te forceren, zodat de te testen versterker in wezen zijn eigen fouten kan meten. Figuur 1 toont een veelzijdig circuit dat dit principe gebruikt, gebruikmakend van een auxiliary op amp als integrator om een stabiele lus met zeer hoge dc open-loop winst vast te stellen. De schakelaars vergemakkelijken de uitvoering van de verschillende tests beschreven in de vereenvoudigde illustraties die volgen.
het circuit van Figuur 1 minimaliseert de meeste meetfouten en maakt nauwkeurige metingen van een groot aantal dc—en enkele ac—parameters mogelijk. De extra “auxiliary” op amp heeft geen betere prestaties nodig dan de op amp die wordt gemeten. Het is nuttig als het gelijkstroom open-lus winst van één miljoen of meer heeft; als de offset van het apparaat onder test (DUT) waarschijnlijk een paar mV overschrijdt, moet de hulpversterker op van ±15-V-voedingen worden gebruikt (en als de input offset van de DUT 10 mV kan overschrijden, moet de 99,9-kΩ weerstand, R3, worden verminderd).
de voedingsspanningen +V en-V van de DUT zijn van gelijke grootte en tegenovergesteld teken. De totale voedingsspanning is, natuurlijk, 2 × V. symmetrische voedingen worden gebruikt, zelfs met “single supply” op versterkers met dit circuit, als het systeem grond referentie is het middelpunt van de voedingen.
de hulpversterker is als integrator geconfigureerd als open-loop (full gain) bij dc, maar de ingangsweerstand en terugkoppelcondensator beperken de bandbreedte tot enkele Hz. Dit betekent dat de dc-spanning aan de uitgang van de DUT wordt versterkt door de volledige versterking van de hulpversterker en wordt toegepast, via een 1000:1-demper, op de niet-omkerende ingang van de DUT. Negatieve feedback dwingt de output van de DUT om potentiaal te aarden. (In feite is de werkelijke spanning de offset spanning van de hulpversterker-of, als we echt nauwgezet moeten zijn, deze offset plus de spanningsdaling in de 100-kΩ weerstand als gevolg van de bias stroom van de hulpversterker—maar dit is dicht genoeg bij de grond om onbelangrijk te zijn, vooral omdat de veranderingen in de spanning van dit punt tijdens de metingen waarschijnlijk niet meer dan een paar microv).
de spanning op het meetpunt, TP1, is 1000 maal de correctiespanning (gelijk in grootte aan de fout) die wordt toegepast op de ingang van de DUT. Dit zal tientallen mV of meer en, dus, vrij gemakkelijk te meten.
een ideale op-amp heeft een nul-offset-spanning( Vos); dat wil zeggen, als beide ingangen worden samengevoegd en op een spanning tussen de voedingen worden gehouden, moet de uitgangsspanning ook halverwege tussen de voedingen zijn. In het echte leven, op versterkers hebben offsets variërend van een paar microvolt tot een paar millivolt-dus een spanning in dit bereik moet worden toegepast op de ingang om de uitgang naar de midway potentieel.
Figuur 2 toont de configuratie voor de meest elementaire test—offsetmeting. De DUT-uitgangsspanning is op de grond wanneer de spanning op TP1 1000 keer de offset is.
de ideale op-amp heeft een oneindige ingangsimpedantie en geen stroomstromen in de ingangen. In werkelijkheid stromen kleine “bias” – stromen in de inverterende en niet-inverterende ingangen (Ib-en Ib+, respectievelijk); ze kunnen significante compensaties veroorzaken in circuits met een hoge impedantie. Ze kunnen variëren, afhankelijk van het op amp type, van een paar femtoamperes (1 fA = 10-15 A—een elektron om de paar microseconden) tot een paar nanoamperes, of zelfs—in sommige zeer snelle op versterkers—een of twee microamperes. Figuur 3 laat zien hoe deze stromen kunnen worden gemeten.
het circuit is hetzelfde als het offset circuit van Figuur 2, met toevoeging van twee weerstanden, R6 en R7, in serie met de DUT-ingangen. Deze weerstanden kunnen kortgesloten worden door schakelaars S1 en S2. Met beide schakelaars gesloten, is het circuit hetzelfde als Figuur 2. Wanneer S1 open is, stroomt de bias stroom van de inverterende ingang in Rs, en het spanningsverschil draagt bij aan de offset. Door het meten van de verandering van de spanning bij TP1 (=1000 Ib–×Rs), kunnen we Ib– berekenen; evenzo, door het sluiten van S1 en het openen van S2 kunnen we Ib+meten. Als de spanning wordt gemeten bij TP1 met S1 en S2 beide gesloten, en vervolgens beide open, de” input offset stroom, ” Ios, het verschil tussen Ib+ en Ib–, wordt gemeten door de verandering. De gebruikte waarden van R6 en R7 zijn afhankelijk van de te meten stromen.
voor waarden van Ib in de Orde van 5 pA of minder wordt het vrij moeilijk om dit circuit te gebruiken vanwege de grote weerstanden; andere technieken kunnen nodig zijn, waarschijnlijk met betrekking tot de snelheid waarmee Ib lage lekkagecondensatoren oplaadt (die Rs vervangen).
wanneer S1 en S2 gesloten zijn, stroomt Ios nog steeds in de 100-Ω weerstanden en introduceert een fout in Vos, maar tenzij Ios groot genoeg is om een fout van meer dan 1% van de gemeten Vos te produceren, kan dit in deze berekening meestal worden genegeerd.
de DC-versterking met open loop van een op-versterker kan zeer hoog zijn; winsten groter dan 107 zijn niet onbekend, maar waarden tussen 250.000 en 2.000.000 zijn meer gebruikelijk. De gelijkstroomversterking wordt gemeten door de uitgang van de DUT te forceren met een bekende hoeveelheid (1 V in Figuur 4, maar 10 V als het apparaat op voldoende grote voedingen draait om dit mogelijk te maken) door R5 te schakelen tussen de DUT-uitgang en een 1-v referentie met S6. Als R5 op +1 V staat, dan moet de DUT-uitgang naar -1 V gaan als de ingang van de hulpversterker onveranderd in de buurt van nul moet blijven.
de spanningsverandering bij TP1, verminderd met 1000: 1, is de ingang van de DUT, die een uitgangsverandering van 1 V veroorzaakt. Het is eenvoudig om de winst uit dit te berekenen (=1000 × 1 V/TP1).
om de AC-versterking in de open-lus te meten, moet een klein wisselstroomsignaal van de gewenste frequentie bij de DUT-ingang worden geïnjecteerd en moet het resulterende signaal bij de uitgang worden gemeten (TP2 in Figuur 5). Terwijl dit wordt gedaan, blijft de hulpversterker het gemiddelde gelijkstroomniveau op de DUT-uitgang stabiliseren.
in Figuur 5 wordt het wisselstroomsignaal via een verzwakker van 10.000:1 op de DUT-ingang toegepast. Deze grote waarde is nodig voor laagfrequente metingen, waarbij open-lus winsten in de buurt van de dc-waarde kunnen liggen. (Bijvoorbeeld, bij een frequentie waar de winst is 1.000.000, zou een 1-V rms signaal van toepassing 100 µV op de versterker ingang, die zou verzadigen de versterker als het probeert te leveren 100-V rms uitgang). Dus ac metingen worden normaal gesproken uitgevoerd bij frequenties van een paar honderd Hz tot de frequentie waarmee de open-lus versterking is gedaald tot eenheid-of zeer voorzichtig met lagere input amplitudes als lage-frequentie versterkingsgegevens nodig zijn. De getoonde eenvoudige demper werkt alleen bij frequenties tot 100 kHz of zo, zelfs als er grote zorgvuldigheid wordt betracht met verdwaalde capaciteit; bij hogere frequenties zou een complexer circuit nodig zijn.
de “common-mode rejection ratio” (CMRR) van een op amp is de verhouding tussen de schijnbare verandering van offset als gevolg van een verandering van de common-mode spanning en de toegepaste verandering van de common-mode spanning. Het is vaak van de Orde van 80 dB tot 120 dB bij dc, maar lager bij hogere frequenties.
het testcircuit is bij uitstek geschikt voor het meten van CMRR (Figuur 6). De common-mode spanning wordt niet toegepast op de DUT-ingangsklemmen, waar effecten op laag niveau waarschijnlijk de meting zouden verstoren, maar de voedingsspanningen worden gewijzigd (in dezelfde—d.w.z., common-direction, ten opzichte van de ingang), terwijl de rest van het circuit ongestoord wordt gelaten.
in het circuit van Figuur 6 wordt de offset gemeten bij TP1 met voedingen van ±V (in het voorbeeld + 2,5 V en -2,5 V) en opnieuw met beide voedingen verhoogd met +1 V tot +3,5 V en -1,5 V). De verandering van offset komt overeen met een verandering van de gemeenschappelijke modus van 1 V, dus de dc CMRR is de verhouding van de offset verandering en 1 V.
CMRR verwijst naar een verandering van offset bij een verandering van de gemeenschappelijke modus, waarbij de totale voedingsspanning onveranderd blijft. De afwijzingsverhouding van de voeding (PSRR) is daarentegen de verhouding tussen de verandering van de offset en de verandering van de totale voedingsspanning, waarbij de Algemene voedingsspanning onveranderd is op het middelpunt van de voeding (Figuur 7).
het gebruikte circuit is precies hetzelfde; het verschil is dat de totale voedingsspanning wordt gewijzigd, terwijl het gebruikelijke niveau onveranderd is. Hier is de schakelaar van +2.5 V en -2.5 V naar + 3 V en -3 V, een verandering van de totale voedingsspanning van 5 V naar 6 V. De common-mode spanning blijft in het middelpunt. De berekening is hetzelfde (1000 × TP1 / 1 V).
voor het meten van ac CMRR en PSRR worden de voedingsspanningen gemoduleerd met spanningen, zoals weergegeven in Figuur 8 en Figuur 9. De DUT blijft open-loop werken bij dc, maar ac negatieve feedback definieert een exacte winst (×100 in de diagrammen).
voor het meten van ac CMRR worden de positieve en negatieve voedingen aan de DUT gemoduleerd met wisselspanningen met een amplitude van 1-V piek. De modulatie van beide voedingen is dezelfde fase, zodat de werkelijke voedingsspanning gelijkstroom is, maar de common-mode-spanning is een sinusgolf van 2V p-p, waardoor de DUT-uitgang een wisselspanning bevat, die wordt gemeten bij TP2.
als de wisselspanning bij TP2 een amplitude heeft van X volt piek (2x volt piek-piek), dan is de CMRR, bedoeld voor de DUT-ingang (dat wil zeggen vóór de x 100 ac winst) x/100 V, en de CMRR is de verhouding van deze tot 1 V piek.
AC PSRR wordt gemeten met de ac op de positieve en negatieve voedingen 180° uit fase. Dit resulteert in de amplitude van de voedingsspanning wordt gemoduleerd (opnieuw, in het voorbeeld, met 1 V piek, 2 V p-p) terwijl de common-mode spanning blijft stabiel op dc. De berekening is zeer vergelijkbaar met de vorige.
conclusie
er zijn natuurlijk nog vele andere op-amp-parameters die wellicht moeten worden gemeten, en een aantal andere manieren om de hier besproken parameters te meten, maar de meest basale dc-en ac-parameters kunnen, zoals we hebben gezien, betrouwbaar worden gemeten met een eenvoudig basiscircuit dat gemakkelijk is geconstrueerd, gemakkelijk te begrijpen en Opmerkelijk vrij van problemen is.
Jan 2018: We hebben C1=1uF veranderd in C1=5uF. Het bleek dat de Auxiliary op amp integrator nog steeds voldoende winst te veroorzaken gesloten looppeaking van maximaal 10dB bij of ongeveer 40Hz draaien in een 40Hz oscillatie.
simulatie toont aan dat dit kan worden voorkomen door de poolfrequentie met een factor 5 te verlagen.