proste pomiary wzmacniaczy op
wzmacniacze Op są wzmacniaczami o bardzo wysokim wzmocnieniu z wejściami różnicowymi i wyjściami single-ended. Są one często stosowane w precyzyjnych obwodach analogowych, dlatego ważne jest, aby dokładnie zmierzyć ich wydajność. Ale w pomiarach w pętli otwartej ich wysokie wzmocnienie w pętli otwartej, które może być tak duże, jak 107 lub więcej, sprawia, że bardzo trudno jest uniknąć błędów z bardzo małych napięć na wejściu wzmacniacza z powodu odbioru, błądzących prądów lub efektu Seebecka (termopary).
proces pomiaru można znacznie uprościć za pomocą pętli serwo, aby wymusić zerową wartość na wejściu wzmacniacza, co pozwala testowanemu wzmacniaczowi zasadniczo zmierzyć własne błędy. Rysunek 1 pokazuje uniwersalny obwód, który wykorzystuje tę zasadę, wykorzystując pomocniczy wzmacniacz op jako integrator do ustanowienia stabilnej pętli z bardzo wysokim wzmocnieniem otwartej pętli dc. Przełączniki ułatwiają wykonywanie różnych testów opisanych na poniższych uproszczonych ilustracjach.
Obwód na rysunku 1 minimalizuje większość błędów pomiarowych i umożliwia dokładne pomiary dużej liczby parametrów prądu stałego i kilku parametrów prądu przemiennego. Dodatkowy „pomocniczy” wzmacniacz op nie wymaga lepszej wydajności niż mierzony wzmacniacz op. Jest to pomocne, jeśli ma wzmocnienie w otwartej pętli dc na poziomie miliona lub więcej; jeśli przesunięcie testowanego urządzenia (DUT) prawdopodobnie przekroczy kilka mV, pomocniczy wzmacniacz operacyjny powinien być obsługiwany z zasilaczy ±15 V (a jeśli przesunięcie wejściowe DUT może przekroczyć 10 mV, Rezystor 99,9-kΩ, R3, będzie musiał zostać zmniejszony).
napięcia zasilające, +V i –V, DUT są jednakowej wielkości i przeciwnego znaku. Całkowite napięcie zasilania wynosi oczywiście 2 × V. stosuje się zasilacze symetryczne, nawet z wzmacniaczami „single supply” z tym układem, ponieważ punktem środkowym zasilacza jest punkt odniesienia masy systemu.
wzmacniacz pomocniczy, jako integrator, jest skonfigurowany do otwartej pętli (pełne wzmocnienie) przy dc, ale jego Rezystor wejściowy i kondensator sprzężenia zwrotnego ograniczają jego szerokość pasma do kilku Hz. Oznacza to, że napięcie dc na wyjściu DUT jest wzmacniane przez pełne wzmocnienie wzmacniacza pomocniczego i przykładane, za pomocą tłumika 1000:1, do nieinwertującego wejścia DUT. Ujemne sprzężenie zwrotne wymusza wyjście DUT do potencjału uziemienia. (W rzeczywistości, rzeczywiste napięcie jest przesunięciem napięcia wzmacniacza pomocniczego-lub, jeśli mamy być naprawdę skrupulatni, to Przesunięcie plus spadek napięcia w rezystorze 100-kΩ spowodowany prądem biasu wzmacniacza pomocniczego-ale jest to na tyle blisko masy, że jest nieistotne, zwłaszcza że zmiany napięcia w tym punkcie podczas pomiarów raczej nie przekroczą kilku mikrowoltów).
napięcie w punkcie testowym, TP1, jest 1000 razy większe niż napięcie korekcyjne (równe wielkości błędu) przyłożone do wejścia DUT. Będzie to dziesiątki mV lub więcej, a więc dość łatwe do zmierzenia.
idealny wzmacniacz op ma zerowe napięcie przesunięcia (Vos); to znaczy, jeśli oba wejścia są połączone i utrzymywane przy napięciu w połowie drogi między zasilaczami, napięcie wyjściowe powinno również znajdować się w połowie drogi między zasilaczami. W rzeczywistości wzmacniacze op mają przesunięcia w zakresie od kilku mikrowoltów do kilku miliwoltów—więc napięcie w tym zakresie musi być przyłożone do wejścia, aby doprowadzić wyjście do potencjału pośredniego.
Rysunek 2 przedstawia konfigurację dla najbardziej podstawowego pomiaru przesunięcia próbnego. Napięcie wyjściowe DUT jest na ziemi, gdy napięcie na TP1 jest 1000 razy jego przesunięcie.
idealny wzmacniacz op ma nieskończoną impedancję wejściową i brak przepływu prądu w wejściach. W rzeczywistości małe prądy „bias” przepływają na wejściach odwracających i nieinwertujących (odpowiednio Ib– i Ib+); mogą powodować znaczne przesunięcia w obwodach o wysokiej impedancji. Mogą się one wahać, w zależności od typu wzmacniacza op, od kilku femtoamperów (1 fA = 10-15 a—jeden elektron Co kilka mikrosekund) do kilku nanoamperów, a nawet—w bardzo szybkich wzmacniaczach op—od jednej lub dwóch mikroamperów. Rysunek 3 pokazuje, jak te prądy mogą być mierzone.
obwód jest taki sam jak obwód offsetowy z fig.2, z dodatkiem dwóch rezystorów, R6 i R7, szeregowo z wejściami DUT. Rezystory te mogą być zwarte przez przełączniki S1 i S2. Przy zamkniętych obu przełącznikach obwód jest taki sam jak na rysunku 2. Gdy S1 jest otwarty, prąd biasu z odwróconego wejścia przepływa w Rs,a różnica napięcia dodaje się do przesunięcia. Mierząc zmianę napięcia przy TP1 (=1000 Ib–×Rs) możemy obliczyć Ib -; podobnie zamykając S1 i otwierając S2 możemy zmierzyć Ib+. Jeśli napięcie jest mierzone w TP1 z zamkniętymi S1 i s2, a następnie otwartymi,” wejściowy prąd przesunięcia”, różnica między IB+ i Ib–, jest mierzona przez zmianę. Użyte wartości R6 i R7 zależą od mierzonych prądów.
dla wartości Ib rzędu 5 pA lub mniej, użycie tego obwodu staje się dość trudne z powodu dużych rezystorów; mogą być wymagane inne techniki, prawdopodobnie obejmujące szybkość, z jaką IB ładuje kondensatory o niskim przecieku (które zastępują Rs).
gdy S1 i s2 są zamknięte, Ios nadal płynie w rezystorach 100 Ω i wprowadza błąd w Vos, ale o ile Ios nie jest wystarczająco duży, aby wytworzyć błąd większy niż 1% mierzonego Vos, zwykle można go zignorować w tym obliczeniu.
wzmocnienie open-loop dc wzmacniacza op może być bardzo wysokie; zyski większe niż 107 nie są nieznane, ale wartości między 250,000 a 2,000,000 są bardziej typowe. Wzmocnienie dc mierzy się przez wymuszenie przesunięcia wyjścia DUT o znaną ilość (1 V na rysunku 4, ale 10 V, jeśli urządzenie pracuje na wystarczająco dużych zasilaczach, aby to umożliwić) poprzez przełączenie R5 między wyjściem DUT a 1-V odniesienia z S6. Jeśli R5 jest przy +1 V, to wyjście DUT musi przesunąć się do -1 v, jeśli wejście wzmacniacza pomocniczego ma pozostać niezmienione w pobliżu zera.
zmiana napięcia na TP1, tłumiona o 1000:1, jest wejściem do DUT, co powoduje zmianę wyjścia 1-V. Łatwo jest obliczyć zysk z tego (=1000 × 1 V/TP1).
aby zmierzyć wzmocnienie AC w pętli otwartej, konieczne jest wstrzyknięcie małego sygnału ac o żądanej częstotliwości na wejściu DUT i zmierzenie uzyskanego sygnału na jego wyjściu (TP2 na rysunku 5). Podczas gdy jest to wykonywane, wzmacniacz pomocniczy nadal stabilizuje średni poziom prądu stałego na wyjściu DUT.
na fig.5 sygnał prądu przemiennego jest przykładany do wejścia DUT za pomocą tłumika 10 000:1. Ta duża wartość jest potrzebna do pomiarów niskiej częstotliwości, gdzie zyski z otwartej pętli mogą być bliskie wartości dc. (Na przykład, przy częstotliwości, w której wzmocnienie wynosi 1 000 000, sygnał 1-V rms przyłoży 100 µV na wejście wzmacniacza, co nasyci wzmacniacz, ponieważ stara się dostarczyć wyjście 100 V RMS). Tak więc pomiary prądu przemiennego są zwykle wykonywane na częstotliwościach od kilkuset Hz do częstotliwości, przy której wzmocnienie w pętli otwartej spadło do jedności-lub bardzo ostrożnie z niższymi amplitudami wejściowymi, jeśli potrzebne są dane o wzmocnieniu niskiej częstotliwości. Pokazany prosty tłumik będzie działał tylko na częstotliwościach do 100 kHz lub więcej, nawet jeśli zostanie zachowana duża ostrożność przy zabłąkanej pojemności; przy wyższych częstotliwościach potrzebny byłby bardziej złożony Obwód.
współczynnik odrzucenia w trybie wspólnym (CMRR) wzmacniacza operacyjnego jest stosunkiem pozornej zmiany przesunięcia wynikającej ze zmiany napięcia w trybie wspólnym do zastosowanej zmiany napięcia w trybie wspólnym. Często jest rzędu 80 dB do 120 dB przy dc, ale niższe przy wyższych częstotliwościach.
Obwód testowy idealnie nadaje się do pomiaru CMRR (rys. 6). Napięcie w trybie wspólnym nie jest przykładane do zacisków wejściowych DUT, gdzie efekty niskiego poziomu mogłyby zakłócić pomiar, ale napięcia zasilania są zmieniane (w tym samym—tj., wspólny-kierunek, względem wejścia), podczas gdy pozostała część układu pozostaje niezakłócona.
w obwodzie na fig.6 przesunięcie mierzy się w TP1 przy zasilaniu ±V (w przykładzie +2,5 V i -2,5 V) i ponownie przy obu zasilaniach przesuniętych o +1 V do +3,5 V i -1,5 V). Zmiana przesunięcia odpowiada zmianie trybu wspólnego o 1 V, więc dc CMRR jest stosunkiem zmiany przesunięcia i 1 V.
CMRR odnosi się do zmiany przesunięcia w przypadku zmiany trybu wspólnego, przy czym całkowite napięcie zasilania pozostaje niezmienione. Z drugiej strony współczynnik odrzucenia zasilania (PSRR) jest stosunkiem zmiany przesunięcia do zmiany całkowitego napięcia zasilania, przy czym napięcie trybu wspólnego pozostaje niezmienione w punkcie środkowym zasilania (Rysunek 7).
zastosowany obwód jest dokładnie taki sam; różnica polega na zmianie całkowitego napięcia zasilania, podczas gdy wspólny poziom pozostaje niezmieniony. Tutaj przełącznik jest od + 2.5 V i -2,5 V do +3 V i -3 V, zmiana całkowitego napięcia zasilania z 5 V na 6 V. Napięcie trybu wspólnego pozostaje w punkcie środkowym. Obliczenia są takie same (1000 × TP1/1 V).
aby zmierzyć ac CMRR i PSRR, napięcia zasilające są modulowane napięciami, jak pokazano na fig. 8 i Fig. 9. DUT nadal działa w pętli otwartej w dc, ale ujemne sprzężenie zwrotne AC określa dokładne wzmocnienie (×100 na diagramach).
aby zmierzyć ac CMRR, dodatnie i ujemne dostawy do DUT są modulowane napięciami ac o amplitudzie piku 1-V. Modulacja obu zasilaczy jest tą samą fazą, tak że rzeczywiste napięcie zasilania jest stałe dc, ale napięcie w trybie wspólnym jest sinusoidalne 2V p-p, co powoduje, że wyjście DUT zawiera napięcie ac, które jest mierzone w TP2.
jeśli napięcie prądu przemiennego w TP2 ma amplitudę piku x woltów (2x pik woltów do piku), to CMRR, odnosząca się do wejścia DUT (to znaczy przed wzmocnieniem x 100 ac), wynosi x/100 V, A CMRR jest stosunkiem tego do piku 1 V.
AC PSRR mierzy się z ac na dodatnich i ujemnych dostawach 180° poza fazą. Powoduje to modulację amplitudy napięcia zasilającego (ponownie, w przykładzie, z pikiem 1 V, 2 V p-p), podczas gdy napięcie w trybie wspólnym pozostaje stałe w dc. Obliczenia są bardzo podobne do poprzedniego.
podsumowanie
istnieje oczywiście wiele innych parametrów wzmacniacza op, które mogą wymagać zmierzenia, i wiele innych sposobów pomiaru tych, które omówiliśmy, ale najbardziej podstawowe parametry dc i ac mogą, jak widzieliśmy, być mierzone niezawodnie za pomocą prostego podstawowego obwodu, który jest łatwy do zbudowania, zrozumiały i wyjątkowo wolny od problemów.
styczeń 2018: zmieniliśmy C1 = 1uF na C1 = 5uF. Okazało się, że pomocniczy integrator wzmacniacza Op ma jeszcze wystarczające wzmocnienie, aby spowodować zamkniętą pętlę do 10dB Przy lub około 40Hz, zamieniając się w oscylację 40Hz.
symulacja pokazuje, że można temu zapobiec, zmniejszając częstotliwość bieguna o współczynnik 5.