运算放大器的简易测量

2014-12-16 15:07:47来源: eccn
运算放大器是差分输入、单端输出的极高增益放大器,常用于高精度模拟电路,因此必须精确测量其性能。但在开环测量中,其开环增益可能高达107或更高,而拾取、杂散电流或塞贝克(热电偶)效应可能会在放大器输入端产生非常小的电压,这样误差将难以避免。

通过使用伺服环路,可以大大简化测量过程,强制放大器输入调零,使得待测放大器能够测量自身的误差。图1显示了一个运用该原理的多功能电路,它利用一个辅助运放作为积分器,来建立一个具有极高直流开环增益的稳定环路。开关为执行下面所述的各种测试提供了便利。



图1. 基本运算放大器测量电路

图1所示电路能够将大部分测量误差降至最低,支持精确测量大量直流和少量交流参数。附加的“辅助”运算放大器无需具有比待测运算放大器更好的性能,其直流开环增益最好能达到106或更高。如果待测器件(DUT)的失调电压可能超过几mV,则辅助运放应采用±15 V电源供电(如果DUT的输入失调电压可能超过10 mV,则需要减小99.9 kΩ电阻R3的阻值。)

DUT的电源电压+V和–V幅度相等、极性相反。总电源电压理所当然是2 × V。该电路使用对称电源,即使“单电源”运放也是如此,因为系统的地以电源的中间电压为参考。

作为积分器的辅助放大器在直流时配置为开环(最高增益),但其输入电阻和反馈电容将其带宽限制为几Hz。这意味着,DUT输出端的直流电压被辅助放大器以最高增益放大,并通过一个1000:1衰减器施加于DUT的同相输入端。负反馈将DUT输出驱动至地电位。(事实上,实际电压是辅助放大器的失调电压,更精确地说是该失调电压加上辅助放大器的偏置电流在100 kΩ电阻上引起的压降,但它非常接近地电位,因此无关紧要,特别是考虑到测量期间此点的电压变化不大可能超过几mV)。

测试点TP1上的电压是施加于DUT输入端的校正电压(与误差在幅度上相等)的1000倍,约为数十mV或更大,因此可以相当轻松地进行测量。

理想运算放大器的失调电压(Vos)为0,即当两个输入端连在一起并保持中间电源电压时,输出电压同样为中间电源电压。现实中的运算放大器则具有几微伏到几毫伏不等的失调电压,因此必须将此范围内的电压施加于输入端,使输出处于中间电位。

图2给出了最基本测试——失调电压测量的配置。当TP1上的电压为DUT失调电压的1000倍时,DUT输出电压处于地电位。


 
图2. 失调电压测量

理想运算放大器具有无限大的输入阻抗,无电流流入其输入端。但在现实中,会有少量“偏置”电流流入反相和同相输入端(分别为Ib–和Ib+),它们会在高阻抗电路中引起显着的失调电压。根据运算放大器类型的不同,这种偏置电流可能为几fA(1 fA = 10–15 A,每隔几微秒流过一个电子)至几nA;在某些超快速运算放大器中,甚至达到1 - 2 μA。图3显示如何测量这些电流。


图3. 失调和偏置电流测量

该电路与图2的失调电压电路基本相同,只是DUT输入端增加了两个串联电阻R6和R7。这些电阻可以通过开关S1和S2短路。当两个开关均闭合时,该电路与图2完全相同。当S1断开时,反相输入端的偏置电流流入Rs,电压差增加到失调电压上。通过测量TP1的电压变化(=1000 Ib–×Rs),可以计算出Ib–。同样,当S1闭合且S2断开时,可以测量Ib+。如果先在S1和S2均闭合时测量TP1的电压,然后在S1和S2均断开时再次测量TP1的电压,则通过该电压的变化可以测算出“输入失调电流”Ios,即Ib+与Ib之差。R6和R7的阻值取决于要测量的电流大小。

如果Ib的值在5 pA左右,则会用到大电阻,使用该电路将非常困难,可能需要使用其它技术,牵涉到Ib给低泄漏电容(用于代替Rs)充电的速率。

当S1和S2闭合时,Ios仍会流入100 Ω电阻,导致Vos误差,但在计算时通常可以忽略它,除非Ios足够大,产生的误差大于实测Vos的1%。

运算放大器的开环直流增益可能非常高,107以上的增益也并非罕见,但250,000到2,000,000的增益更为常见。直流增益的测量方法是通过S6切换DUT输出端与1 V基准电压之间的R5,迫使DUT的输出改变一定的量(图4中为1 V,但如果器件采用足够大的电源供电,可以规定为10 V)。如果R5处于+1 V,若要使辅助放大器的输入保持在0附近不变,DUT输出必须变为–1 V。


图4. 直流增益测量

TP1的电压变化衰减1000:1后输入DUT,导致输出改变1 V,由此很容易计算增益(= 1000 × 1 V/TP1)。

为了测量开环交流增益,需要在DUT输入端注入一个所需频率的小交流信号,并测量相应的输出信号(图5中的TP2)。完成后,辅助放大器继续使DUT输出端的平均直流电平保持稳定。
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关键字:运算放大器  简易测量  模拟电路

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2014/1216/article_10368.html
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