精確測量運算放大器性能的簡易方法
運算放大器是差分輸入、單端輸出的極高增益放大器,常用于高精度模擬電路,因此必須精確測量其性能。但在開環(huán)測量中,其開環(huán)增益可能高達107或更高,而拾取、雜散電流或塞貝克(熱電偶)效應可能會在放大器輸入端產生非常小的電壓,這樣誤差將難以避免。
通過使用伺服環(huán)路,可以大大簡化測量過程,強制放大器輸入調零,使得待測放大器能夠測量自身的誤差。圖1顯示了一個運用該原理的多功能電路,它利用一個輔助運放作為積分器,來建立一個具有極高直流開環(huán)增益的穩(wěn)定環(huán)路。開關為執(zhí)行下面所述的各種測試提供了便利。
圖1所示電路能夠將大部分測量誤差降至最低,支持精確測量大量直流和少量交流參數。附加的“輔助”運算放大器無需具有比待測運算放大器更好的性能,其直流開環(huán)增益最好能達到106或更高。如果待測器件(DUT)的失調電壓可能超過幾mV,則輔助運放應采用±15 V電源供電(如果DUT的輸入失調電壓可能超過10 mV,則需要減小99.9 kΩ電阻R3的阻值)
DUT的電源電壓+V和–V幅度相等、極性相反??傠娫措妷豪硭斎皇? × V。該電路使用對稱電源,即使“單電源”運放也是如此,因為系統的地以電源的中間電壓為參考。
作為積分器的輔助放大器在直流時配置為開環(huán)(最高增益),但其輸入電阻和反饋電容將其帶寬限制為幾Hz。這意味著,DUT輸出端的直流電壓被輔助放大器以最高增益放大,并通過一個1000:1衰減器施加于DUT的同相輸入端。負反饋將DUT輸出驅動至地電位。(事實上,實際電壓是輔助放大器的失調電壓,更精確地說是該失調電壓加上輔助放大器的偏置電流在100 kΩ電阻上引起的壓降,但它非常接近地電位,因此無關緊要,特別是考慮到測量期間此點的電壓變化不大可能超過幾mV)。
測試點TP1上的電壓是施加于DUT輸入端的校正電壓(與誤差在幅度上相等)的1000倍,約為數十mV或更大,因此可以相當輕松地進行測量。
理想運算放大器的失調電壓(Vos)為0,即當兩個輸入端連在一起并保持中間電源電壓時,輸出電壓同樣為中間電源電壓?,F實中的運算放大器則具有幾微伏到幾毫伏不等的失調電壓,因此必須將此范圍內的電壓施加于輸入端,使輸出處于中間電位。
圖2給出了最基本測試——失調電壓測量的配置。當TP1上的電壓為DUT失調電壓的1000倍時,DUT輸出電壓處于地電位。
理想運算放大器具有無限大的輸入阻抗,無電流流入其輸入端。但在現實中,會有少量“偏置”電流流入反相和同相輸入端(分別為Ib–和Ib+),它們會在高阻抗電路中引起顯著的失調電壓。根據運算放大器類型的不同,這種偏置電流可能為幾fA(1 fA = 10–15 A,每隔幾微秒流過一個電子)至幾nA;在某些超快速運算放大器中,甚至達到1 - 2 μA。圖3顯示如何測量這些電流。
該電路與圖2的失調電壓電路基本相同,只是DUT輸入端增加了兩個串聯電阻R6和R7。這些電阻可以通過開關S1和S2短路。當兩個開關均閉合時,該電路與圖2完全相同。當S1斷開時,反相輸入端的偏置電流流入Rs,電壓差增加到失調電壓上。通過測量TP1的電壓變化(=1000 Ib–×Rs),可以計算出Ib–。同樣,當S1閉合且S2斷開時,可以測量Ib+。如果先在S1和S2均閉合時測量TP1的電壓,然后在S1和S2均斷開時再次測量TP1的電壓,則通過該電壓的變化可以測算出“輸入失調電流”Ios,即Ib+與Ib–之差。R6和R7的阻值取決于要測量的電流大小。
如果Ib的值在5 pA左右,則會用到大電阻,使用該電路將非常困難,可能需要使用其它技術,牽涉到Ib給低泄漏電容(用于代替Rs)充電的速率。
當S1和S2閉合時,Ios仍會流入100 Ω電阻,導致Vos誤差,但在計算時通??梢院雎运?,除非Ios足夠大,產生的誤差大于實測Vos的1%。
運算放大器的開環(huán)直流增益可能非常高,107以上的增益也并非罕見,但250,000到2,000,000的增益更為常見。直流增益的測量方法是通過S6切換DUT輸出端與1 V基準電壓之間的R5,迫使DUT的輸出改變一定的量(圖4中為1 V,但如果器件采用足夠大的電源供電,可以規(guī)定為10 V)。如果R5處于+1 V,若要使輔助放大器的輸入保持在0附近不變,DUT輸出必
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