măsurători simple Op Amp
amplificatoarele Op sunt amplificatoare cu câștig foarte mare, cu intrări diferențiale și ieșiri cu un singur capăt. Ele sunt adesea folosite în circuite analogice de înaltă precizie, deci este important să le măsurați cu exactitate performanța. Dar, în măsurătorile în buclă deschisă, câștigul lor ridicat în buclă deschisă, care poate fi de până la 107 sau mai mult, face foarte dificilă evitarea erorilor de la tensiuni foarte mici la intrarea amplificatorului din cauza preluării, a curenților rătăciți sau a efectului Seebeck (termocuplu).
procesul de măsurare poate fi mult simplificat prin utilizarea unei bucle servo pentru a forța un nul la intrarea amplificatorului, permițând astfel amplificatorului testat să-și măsoare în esență propriile erori. Figura 1 prezintă un circuit versatil care folosește acest principiu, folosind un amplificator op auxiliar ca integrator pentru a stabili o buclă stabilă cu câștig de buclă deschisă dc foarte mare. Comutatoarele facilitează efectuarea diferitelor teste descrise în ilustrațiile simplificate care urmează.
circuitul din Figura 1 minimizează majoritatea erorilor de măsurare și permite măsurători precise ale unui număr mare de parametri dc și câțiva parametri ac. Amplificatorul op suplimentar „auxiliar” nu are nevoie de performanțe mai bune decât amplificatorul op măsurat. Este util dacă are un câștig în buclă deschisă dc de un milion sau mai mult; dacă offset-ul dispozitivului testat (DUT) este probabil să depășească câțiva mV, amplificatorul op auxiliar ar trebui să funcționeze de la consumabilele de 15-V de la 15-V (și dacă offset-ul de intrare al DUT poate depăși 10 mV, rezistența de 99,9-k, R3, va trebui redusă).
tensiunile de alimentare, +V și –V, ale DUT sunt de magnitudine egală și semn opus. Tensiunea totală de alimentare este, desigur, de 2 hectar V. se utilizează consumabile simetrice, chiar și cu amplificatoare op „cu o singură alimentare” cu acest circuit, deoarece referința la sol a sistemului este punctul de mijloc al consumabilelor.
amplificatorul auxiliar, ca integrator, este configurat să fie în buclă deschisă (câștig complet) la dc, dar rezistența sa de intrare și condensatorul de feedback își limitează lățimea de bandă la câțiva Hz. Aceasta înseamnă că tensiunea dc la ieșirea DUT este amplificată de câștigul complet al amplificatorului auxiliar și aplicată, printr-un atenuator de 1000:1, la intrarea neinvertitoare a DUT. Feedback-ul negativ forțează ieșirea DUT la potențialul de sol. (De fapt, tensiunea reală este tensiunea de offset a amplificatorului auxiliar—sau, dacă trebuie să fim cu adevărat meticuloși, acest offset plus căderea de tensiune a rezistorului de 100-k inqc datorită curentului de polarizare al amplificatorului auxiliar—dar acest lucru este suficient de aproape de masă pentru a fi neimportant, mai ales că modificările tensiunii acestui punct în timpul măsurătorilor sunt puțin probabil să depășească câțiva microvolți).
tensiunea de pe punctul de testare, TP1, este de 1000 de ori tensiunea de corecție (egală ca mărime cu eroarea) aplicată la intrarea DUT. Acest lucru va fi zeci de mV sau mai mult și, deci, destul de ușor de măsurat.
un amplificator op ideal are tensiune de offset zero (Vos); adică, dacă ambele intrări sunt unite și ținute la o tensiune la jumătatea distanței dintre consumabile, tensiunea de ieșire ar trebui să fie, de asemenea, la jumătatea distanței dintre consumabile. În viața reală, amplificatoarele op au compensări variind de la câțiva microvolți la câțiva milivolți—deci o tensiune în acest interval trebuie aplicată la intrare pentru a aduce ieșirea la potențialul intermediar.
Figura 2 prezintă configurația pentru cea mai de bază măsurătoare test—offset. Tensiunea de ieșire DUT este la masă atunci când tensiunea pe TP1 este de 1000 de ori compensată.
amperul op ideal are impedanță de intrare infinită și nu curge curent în intrările sale. În realitate, curenții mici de „părtinire” curg în intrările inversoare și neinvertitoare (Ib– și Ib+, respectiv); pot provoca compensări semnificative în circuitele cu impedanță ridicată. Acestea pot varia, în funcție de tipul de amplificator op, de la câteva femtoamperi (1 fA = 10-15 a—un electron la fiecare câteva microsecunde) până la câțiva nanoamperi sau chiar—în unele amperi op foarte rapizi—unul sau doi microamperi. Figura 3 arată modul în care acești curenți pot fi măsurați.
circuitul este identic cu circuitul offset din Figura 2, cu adăugarea a două rezistențe, R6 și R7, în serie cu intrările DUT. Aceste rezistențe pot fi scurtcircuitate de comutatoarele s1 și s2. Cu ambele comutatoare închise, circuitul este același cu figura 2. Când S1 este deschis, curentul de polarizare de la intrarea inversoare curge în Rs, iar diferența de tensiune se adaugă la offset. Prin măsurarea variației de tensiune la TP1 (=1000 Ib–Rs), putem calcula Ib–; în mod similar, prin închiderea S1 și deschiderea S2 putem măsura Ib+. Dacă tensiunea este măsurată la TP1 cu S1 și S2 ambele închise și apoi ambele deschise, „curentul de offset de intrare” Ios, diferența dintre Ib+ și Ib–, este măsurată prin modificare. Valorile R6 și R7 utilizate vor depinde de curenții care trebuie măsurați.
pentru valorile Ib de ordinul a 5 pA sau mai puțin, devine destul de dificil să se utilizeze acest circuit din cauza rezistențelor mari implicate; pot fi necesare alte tehnici, care implică probabil rata la care Ib încarcă condensatoarele cu scurgere redusă (care înlocuiesc Rs).
când S1 și S2 sunt închise, Ios curge în continuare în rezistențele de 100 de centimi și introduce o eroare în Vos, dar cu excepția cazului în care Ios este suficient de mare pentru a produce o eroare mai mare de 1% din vos măsurat, acesta poate fi de obicei ignorat în acest calcul.
câștigul dc în buclă deschisă al unui amplificator op poate fi foarte mare; câștigurile mai mari de 107 nu sunt necunoscute, dar valorile cuprinse între 250.000 și 2.000.000 sunt mai obișnuite. Câștigul dc este măsurat prin forțarea ieșirii DUT să se deplaseze cu o cantitate cunoscută (1 V în Figura 4, dar 10 V dacă dispozitivul funcționează pe surse suficient de mari pentru a permite acest lucru) prin comutarea R5 între ieșirea DUT și o referință de 1-V cu S6. Dacă R5 este la +1 V, atunci ieșirea DUT trebuie să se deplaseze la -1 V dacă intrarea amplificatorului auxiliar trebuie să rămână neschimbată aproape de zero.
schimbarea tensiunii la TP1, atenuată de 1000:1, este intrarea în DUT, ceea ce determină o schimbare de ieșire de 1-V. Este simplu să se calculeze câștigul din aceasta (=1000 1 v / TP1).
pentru a măsura câștigul ac în buclă deschisă, este necesar să se injecteze un semnal ac mic cu frecvența dorită la intrarea DUT și să se măsoare semnalul rezultat la ieșirea sa (TP2 în Figura 5). În timp ce se face acest lucru, amplificatorul auxiliar continuă să stabilizeze nivelul mediu dc la ieșirea DUT.
în Figura 5, semnalul ac este aplicat la intrarea DUT printr-un atenuator de 10.000:1. Această valoare mare este necesară pentru măsurători de joasă frecvență, unde câștigurile în buclă deschisă pot fi aproape de valoarea dc. (De exemplu, la o frecvență în care câștigul este de 1.000.000, un semnal rms de 1-V ar aplica 100 olfv la intrarea amplificatorului, ceea ce ar satura amplificatorul în timp ce încearcă să livreze ieșire rms de 100-V). Deci, măsurătorile de curent alternativ se fac în mod normal la frecvențe de la câteva sute de Hz la frecvența la care câștigul în buclă deschisă a scăzut la unitate-sau foarte atent cu amplitudini de intrare mai mici dacă sunt necesare date de câștig de frecvență joasă. Atenuatorul simplu prezentat va funcționa numai la frecvențe de până la 100 kHz sau cam așa ceva, chiar dacă se acordă o mare atenție capacității fără stăpân; la frecvențe mai mari ar fi nevoie de un circuit mai complex.
raportul de respingere în mod comun (CMRR) al unui amplificator op este raportul dintre schimbarea aparentă a decalajului care rezultă dintr-o schimbare a tensiunii în mod comun și schimbarea Aplicată a tensiunii în mod comun. Este adesea de ordinul a 80 dB până la 120 dB la dc, dar mai mic la frecvențe mai mari.
circuitul de testare este ideal pentru măsurarea CMRR (Figura 6). Tensiunea în modul comun nu este aplicată la bornele de intrare DUT, unde efectele de nivel scăzut ar putea perturba măsurarea, dar tensiunile de alimentare sunt modificate (în același-adică., direcția comună, în raport cu intrarea), în timp ce restul circuitului este lăsat netulburat.
în circuitul din Figura 6, offset-ul este măsurat la TP1 cu consumabilele de V (în exemplu, +2,5 V și -2,5 V) și din nou cu ambele consumabilele deplasate în sus cu +1 V la +3,5 V și -1,5 V). Schimbarea decalajului corespunde unei modificări a modului comun de 1 V, astfel încât CMRR dc este raportul dintre schimbarea offset și 1 V.
CMRR se referă la schimbarea decalajului pentru o schimbare a modului comun, tensiunea totală de alimentare fiind neschimbată. Raportul de respingere a sursei de alimentare (PSRR), pe de altă parte, este raportul dintre schimbarea decalajului și schimbarea tensiunii totale de alimentare, tensiunea în modul comun fiind neschimbată la punctul mediu al alimentării (Figura 7).
circuitul utilizat este exact același; diferența este că tensiunea totală de alimentare este schimbată, în timp ce nivelul comun este neschimbat. Aici comutatorul este de la + 2.5 V și -2,5 V la +3 V și -3 V, o schimbare a tensiunii totale de alimentare de la 5 V la 6 V. Tensiunea În modul comun rămâne la punctul de mijloc. Calculul este același, de asemenea (1000 TP1/1 v).
pentru a măsura AC CMRR și PSRR, tensiunile de alimentare sunt modulate cu tensiuni, așa cum se arată în Figura 8 și Figura 9. DUT continuă să funcționeze în buclă deschisă la dc, dar feedback-ul negativ ac definește un câștig exact (100 în diagrame).
pentru a măsura CMRR ac, livrările pozitive și negative către DUT sunt modulate cu tensiuni ac cu amplitudine de vârf de 1-V. Modularea ambelor surse este aceeași fază, astfel încât tensiunea reală de alimentare este constantă dc, dar tensiunea în modul comun este o undă sinusoidală de 2V p-p, ceea ce face ca ieșirea DUT să conțină o tensiune ac, care este măsurată la TP2.
dacă tensiunea de curent alternativ la TP2 are o amplitudine de vârf x volți (2x volți vârf-vârf), atunci CMRR, referit la intrarea DUT (adică înainte de câștigul de 100 de curent alternativ) este x/100 V, iar CMRR este raportul dintre acesta și vârful 1 V.
AC PSRR se măsoară cu ac pe consumabilele pozitive și negative 180 int din fază. Acest lucru are ca rezultat modularea amplitudinii tensiunii de alimentare (din nou, în exemplu, cu vârf de 1 V, 2 V p-p) în timp ce tensiunea în modul comun rămâne constantă la dc. Calculul este foarte similar cu cel precedent.
concluzie
există, desigur, mulți alți parametri ai amplificatorului op care ar putea fi măsurați și o serie de alte modalități de măsurare a celor pe care le-am discutat, dar cei mai de bază parametri dc și ac pot, după cum am văzut, să fie măsurați în mod fiabil cu un circuit de bază simplu, ușor de construit, ușor de înțeles și remarcabil de lipsit de probleme.
Jan 2018: am schimbat C1=1UF la C1=5uf. S-a dovedit că integratorul auxiliar Op Amp are încă un câștig suficient pentru a provoca o buclă închisă de până la 10dB la sau aproximativ 40Hz transformându-se într-o oscilație de 40Hz.
simularea arată că poate fi prevenită prin scăderea frecvenței polului cu un factor de 5.