Simple Op Amp Measurements
Gli Op amp sono amplificatori ad alto guadagno con ingressi differenziali e uscite single-ended. Sono spesso utilizzati in circuiti analogici di alta precisione, quindi è importante misurare accuratamente le loro prestazioni. Ma nelle misurazioni ad anello aperto il loro alto guadagno ad anello aperto, che può essere grande come 107 o più, rende molto difficile evitare errori da tensioni molto piccole all’ingresso dell’amplificatore a causa di pick-up, correnti vaganti o l’effetto Seebeck (termocoppia).
Il processo di misurazione può essere notevolmente semplificato utilizzando un servo loop per forzare un null all’ingresso dell’amplificatore, consentendo così all’amplificatore in prova di misurare essenzialmente i propri errori. La figura 1 mostra un circuito versatile che utilizza questo principio, impiegando un amplificatore operazionale ausiliario come integratore per stabilire un loop stabile con un guadagno ad anello aperto dc molto alto. Gli interruttori facilitano l’esecuzione dei vari test descritti nelle illustrazioni semplificate che seguono.
Il circuito di Figura 1 riduce al minimo la maggior parte degli errori di misurazione e consente misurazioni accurate di un gran numero di parametri dc e alcuni ac. L’op amp “ausiliario” aggiuntivo non ha bisogno di prestazioni migliori rispetto all’op amp misurato. È utile se ha un guadagno a circuito aperto dc di un milione o più; se l’offset del dispositivo in prova (DUT) è probabile che superi alcuni mV, l’op amp ausiliario dovrebbe essere azionato da forniture ±15-V (e se l’offset di ingresso del DUT può superare 10 mV, il resistore 99.9-kΩ, R3, dovrà essere ridotto).
Le tensioni di alimentazione, +V e –V, del DUT sono di uguale grandezza e segno opposto. La tensione di alimentazione totale è, ovviamente, 2 × V. Vengono utilizzate forniture simmetriche, anche con amplificatori operazionali “single supply” con questo circuito, poiché il riferimento di massa del sistema è il punto medio delle forniture.
L’amplificatore ausiliario, come integratore, è configurato per essere ad anello aperto (full gain) a corrente continua, ma la sua resistenza di ingresso e il condensatore di feedback limitano la sua larghezza di banda a pochi Hz. Ciò significa che la tensione continua all’uscita del DUT viene amplificata dal guadagno completo dell’amplificatore ausiliario e applicata, tramite un attenuatore 1000:1, all’ingresso non invertente del DUT. Il feedback negativo forza l’uscita del DUT al potenziale di terra. (In realtà, l’attuale tensione è la tensione di offset dell’amplificatore ausiliario—o, se vogliamo essere davvero meticolosa, questo offset più la caduta di tensione nei 100 kΩ resistenza dovuta all’ausiliare dell’amplificatore di corrente di polarizzazione, ma questo è abbastanza vicino a terra per essere poco importante, in particolare come i cambiamenti in questo punto la tensione durante le misurazioni sono difficilmente superano pochi microvolt).
La tensione sul punto di prova, TP1, è 1000 volte la tensione di correzione (uguale in grandezza all’errore) applicata all’ingresso del DUT. Questo sarà decine di mV o più e, quindi, abbastanza facile da misurare.
Un op amp ideale ha zero offset voltage (Vos); cioè, se entrambi gli ingressi sono uniti e tenuti a una tensione a metà strada tra le forniture, anche la tensione di uscita dovrebbe essere a metà strada tra le forniture. Nella vita reale, gli amplificatori operazionali hanno offset che vanno da pochi microvolt a pochi millivolt—quindi una tensione in questo intervallo deve essere applicata all’ingresso per portare l’uscita al potenziale intermedio.
La figura 2 mostra la configurazione per la misura di offset di prova più semplice. La tensione di uscita DUT è a terra quando la tensione su TP1 è 1000 volte il suo offset.
L’op amp ideale ha impedenza di ingresso infinita e nessun flusso di corrente nei suoi ingressi. In realtà, piccole correnti di “bias” fluiscono negli ingressi invertenti e non invertenti (Ib– e Ib+, rispettivamente); possono causare offset significativi nei circuiti ad alta impedenza. Possono variare, a seconda del tipo di amplificatore operazionale, da pochi femtoamperi (1 fA = 10-15 A—un elettrone ogni pochi microsecondi) a pochi nanoamperi, o anche—in alcuni amplificatori operazionali molto veloci—uno o due microamperi. La figura 3 mostra come queste correnti possono essere misurate.
Il circuito è lo stesso del circuito di offset di Figura 2, con l’aggiunta di due resistori, R6 e R7, in serie con gli ingressi DUT. Questi resistori possono essere cortocircuitati dagli interruttori S1 e S2. Con entrambi gli interruttori chiusi, il circuito è lo stesso della Figura 2. Quando S1 è aperto, la corrente di polarizzazione dall’ingresso invertente scorre in Rs e la differenza di tensione si aggiunge all’offset. Misurando la variazione di tensione a TP1 (=1000 Ib – ×Rs), possiamo calcolare Ib–; allo stesso modo, chiudendo S1 e aprendo S2 possiamo misurare Ib+. Se la tensione viene misurata a TP1 con S1 e S2 entrambi chiusi e quindi entrambi aperti, la” corrente di offset di ingresso”, Ios, la differenza tra Ib+ e Ib–, viene misurata dal cambiamento. I valori di R6 e R7 utilizzati dipenderanno dalle correnti da misurare.
Per valori di Ib dell’ordine di 5 pA o meno, diventa piuttosto difficile usare questo circuito a causa delle grandi resistenze coinvolte; potrebbero essere necessarie altre tecniche, probabilmente coinvolgendo la velocità con cui Ib carica condensatori a bassa perdita (che sostituiscono Rs).
Quando S1 e S2 sono chiusi, Ios scorre ancora nei resistori da 100 Ω e introduce un errore in Vos, ma a meno che Ios non sia abbastanza grande da produrre un errore superiore all ‘ 1% dei Vos misurati, di solito può essere ignorato in questo calcolo.
Il guadagno dc ad anello aperto di un op amp può essere molto alto; i guadagni superiori a 107 non sono sconosciuti, ma i valori tra 250.000 e 2.000.000 sono più usuali. Il guadagno dc viene misurato forzando l’uscita del DUT a muoversi di una quantità nota (1 V in Figura 4, ma 10 V se il dispositivo è in esecuzione su forniture abbastanza grandi per consentire questo) commutando R5 tra l’uscita DUT e un riferimento 1-V con S6. Se R5 è a + 1 V, l’uscita DUT deve spostarsi a -1 V se l’ingresso dell’amplificatore ausiliario deve rimanere invariato vicino allo zero.
La variazione di tensione a TP1, attenuata di 1000:1, è l’ingresso al DUT, che causa un cambio di uscita di 1 V. È semplice calcolare il guadagno da questo (=1000 × 1 V / TP1).
Per misurare il guadagno ac ad anello aperto, è necessario iniettare un piccolo segnale ac della frequenza desiderata all’ingresso DUT e misurare il segnale risultante alla sua uscita (TP2 in Figura 5). Mentre questo viene fatto, l’amplificatore ausiliario continua a stabilizzare il livello medio dc all’uscita DUT.
Nella figura 5, il segnale ac viene applicato all’ingresso DUT tramite un attenuatore 10.000:1. Questo grande valore è necessario per le misurazioni a bassa frequenza, dove i guadagni ad anello aperto possono essere vicini al valore dc. (Ad esempio, ad una frequenza in cui il guadagno è 1.000.000, un segnale rms 1-V applicherebbe 100 µV all’ingresso dell’amplificatore, che saturerebbe l’amplificatore mentre cerca di fornire un’uscita rms 100-V). Quindi le misurazioni ac sono normalmente effettuate a frequenze da poche centinaia di Hz alla frequenza alla quale il guadagno ad anello aperto è sceso all’unità-o con molta attenzione con ampiezze di ingresso inferiori se sono necessari dati di guadagno a bassa frequenza. L’attenuatore semplice mostrato funzionerà solo a frequenze fino a 100 kHz o giù di lì, anche se si presta molta attenzione con la capacità vagante; a frequenze più alte sarebbe necessario un circuito più complesso.
Il rapporto di reiezione di modo comune (CMRR) di un amplificatore operazionale è il rapporto tra il cambiamento apparente di offset risultante da un cambiamento di tensione di modo comune al cambiamento applicato di tensione di modo comune. È spesso dell’ordine di 80 dB a 120 dB a dc, ma più basso a frequenze più alte.
Il circuito di prova è ideale per misurare CMRR (Figura 6). La tensione di modo comune non viene applicata ai terminali di ingresso DUT, dove gli effetti di basso livello potrebbero disturbare la misurazione, ma le tensioni di alimentazione sono alterate (nello stesso—cioè, direzione comune, rispetto all’ingresso), mentre il resto del circuito viene lasciato indisturbato.
Nel circuito di Figura 6, l’offset viene misurato a TP1 con forniture di ±V (nell’esempio, +2,5 V e -2,5 V) e di nuovo con entrambe le forniture spostate di +1 V a +3,5 V e -1,5 V). Il cambiamento di offset corrisponde a un cambiamento di modo comune di 1 V, quindi il CMRR dc è il rapporto tra il cambiamento di offset e 1 V.
CMRR si riferisce al cambiamento di offset per un cambiamento di modo comune, la tensione di alimentazione totale di essere invariato. Il rapporto di reiezione dell’alimentazione (PSRR), d’altra parte, è il rapporto tra la variazione di offset e la variazione della tensione di alimentazione totale, con la tensione di modo comune invariata nel punto medio dell’alimentazione (Figura 7).
Il circuito utilizzato è esattamente lo stesso; la differenza è che la tensione di alimentazione totale è cambiata, mentre il livello comune è invariato. Qui l’interruttore è da + 2.5 V e -2,5 V a + 3 V e -3 V, una variazione della tensione di alimentazione totale da 5 V a 6 V. La tensione di modo comune rimane al punto medio. Anche il calcolo è lo stesso (1000 × TP1/1 V).
Per misurare ac CMRR e PSRR, le tensioni di alimentazione sono modulate con tensioni, come mostrato in Figura 8 e Figura 9. Il DUT continua a funzionare ad anello aperto a dc, ma il feedback negativo ac definisce un guadagno esatto (×100 nei diagrammi).
Per misurare ac CMRR, le alimentazioni positive e negative al DUT sono modulate con tensioni ac con ampiezza di picco di 1-V. La modulazione di entrambe le forniture è la stessa fase, in modo che la tensione di alimentazione effettiva sia costante dc, ma la tensione di modo comune è un’onda sinusoidale di 2V p-p, che fa sì che l’uscita DUT contenga una tensione ca, che viene misurata a TP2.
Se la tensione ca a TP2 ha un’ampiezza di picco x volt (2x volt peak-to-peak), allora il CMRR, riferito all’ingresso DUT (cioè prima del guadagno ×100 ac) è x/100 V, e il CMRR è il rapporto tra questo e 1 V picco.
AC PSRR viene misurato con l’ac sulle forniture positive e negative di 180° fuori fase. Ciò comporta la modulazione dell’ampiezza della tensione di alimentazione (di nuovo, nell’esempio, con picco di 1 V, 2 V p-p) mentre la tensione di modo comune rimane costante a dc. Il calcolo è molto simile al precedente.
Conclusione
Ci sono, naturalmente, molti altri op amp parametri che possono avere bisogno di essere misurato, e un certo numero di altri modi di misurare quelle che abbiamo discusso, ma la maggior parte di base dc e ac parametri, come abbiamo visto, essere misurato in modo affidabile con un semplice circuito di base, che è facilmente costruito, facilmente comprensibile, e notevolmente esente da problemi.
Gennaio 2018: Abbiamo cambiato C1=1uF a C1 = 5uF. Si è scoperto che l’integratore Op Amp ausiliario ha ancora un guadagno sufficiente a causare looppeaking chiuso fino a 10dB o circa 40Hz trasformandosi in un’oscillazione di 40Hz.
La simulazione mostra che può essere prevenuta diminuendo la frequenza dei poli di un fattore 5.