電路測(cè)試主要運(yùn)算放大器參數(shù)

 1979 年 1 月，《電子測(cè)試》發(fā)表了一篇文章稱(chēng)，一款單個(gè)測(cè)試電路可“執(zhí)行對(duì)任何運(yùn)算放大器全面檢查所需的所有標(biāo)準(zhǔn) DC 測(cè)試”。單個(gè)測(cè)試電路在那個(gè)時(shí)候可能夠用，但今天并非如此，因?yàn)楝F(xiàn)代運(yùn)算放大器具有更全面的規(guī)范。因此，單個(gè)測(cè)試電路不再包攬所有 DC 測(cè)試。

現(xiàn)在經(jīng)常使用三種測(cè)試電路拓?fù)鋵?duì)運(yùn)算放大器 DC 參數(shù)進(jìn)行工作臺(tái)及生產(chǎn)測(cè)試。這三種拓?fù)錇?(1) 雙運(yùn)算放大器測(cè)試環(huán)路、(2) 自測(cè)試環(huán)路(有時(shí)稱(chēng)故障求和點(diǎn)測(cè)試環(huán)路)和 (3) 三運(yùn)算放大器環(huán)路。您可使用這些電路測(cè)試 DC 參數(shù)，其中包括靜態(tài)電流 (IQ)、電壓失調(diào) (VOS)、電源抑制比 (PSRR)、共模抑制比 (CMRR) 以及 DC 開(kāi)環(huán)增益 (AOL)。

靜態(tài)電流

靜態(tài)電流是指器件輸出電流等于零時(shí)其所消耗的電流。盡管 IQ測(cè)試看起來(lái)相當(dāng)簡(jiǎn)單，但也必須注意確保良好的結(jié)果，尤其是在處理極高或極低 IQ部件時(shí)。圖1是可用來(lái)測(cè)試 IQ及其它參數(shù)的三種實(shí)用電路，其必須考慮若干負(fù)載電流情況。這包括測(cè)試環(huán)路中的反饋電流。實(shí)際上，反饋電阻器 Rf也能給器件帶來(lái)負(fù)載，影響 IQ測(cè)量。

圖 1.這三款電路可用來(lái)測(cè)量靜態(tài)電流 (IQ) 。

我們以測(cè)試OPA369運(yùn)算放大器為例來(lái)說(shuō)明這些電路。該部件的最大靜態(tài)電流是每通道 1μA。最大輸入失調(diào)電壓為 750μV。圖 1 中的雙運(yùn)算放大器環(huán)路電路可為被測(cè)試器件的輸出提供 750.75mV 的電壓。這種輸入電壓可使 Rf通過(guò) 15μA 的電流。該電流來(lái)自電源，會(huì)給任何測(cè)量增加誤差。因此在進(jìn)行 IQ測(cè)量之前，必須采取措施確保輸出電流真的等于零。

自測(cè)試電路不是測(cè)量極低靜態(tài)電流的最高效電路，因?yàn)檩敵霰仨毺峁┓答侂娏?。在該?shí)施過(guò)程中，輸出必須根據(jù)增益后的電壓失調(diào) VOS調(diào)整(并非易事)，或者需要斷開(kāi)以上原理圖中的 50Ω 電阻器，以消除反饋電流。雙放大器環(huán)路可通過(guò)增加另一個(gè)放大器來(lái)達(dá)到零輸出要求。精心選擇低輸入偏置電流環(huán)路放大器，可使輸出電流產(chǎn)生的誤差非常小。

此外，三運(yùn)算放大器環(huán)路也可幫您測(cè)量 IQ，但要注意被測(cè)量器件輸出端的 1MΩ 電阻器，這將成為一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)闊o(wú)論測(cè)量哪種參數(shù)，它總是一個(gè)寄生負(fù)載。如果測(cè)量輸出負(fù)載電流，該電阻器就代表一個(gè)附加負(fù)載。此外，還必須考慮該電阻器的噪聲問(wèn)題，在 0.1Hz 至 10kHz 的頻率下 1MΩ 電阻器的噪聲為 85μVp-p。使用 100kΩ 電阻器可將噪聲降低至 27μVp-p。因此，降低電阻器值可降低噪聲，但被測(cè)量器件輸出端的寄生電阻器負(fù)載隨后會(huì)更明顯。

電壓失調(diào)

VOS測(cè)試是測(cè)量運(yùn)算放大器大多數(shù)其它 DC 技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)。因此要格外注意測(cè)試電路，以確保在測(cè)試其它參數(shù)時(shí)電路也能良好工作。如果沒(méi)有選擇好該測(cè)試配置，會(huì)影響到其它 DC 測(cè)量。

VOS的定義方式有多種，常見(jiàn)方式包括：“無(wú)輸入信號(hào)或無(wú)電源電阻時(shí)提供零輸出電壓所需的差分 DC 輸入電壓”(參考資料 2)，或者“在任一輸入端至接地的路徑中無(wú)其它輸入信號(hào)及電阻為零時(shí)提供零輸出電壓所需的差分 DC 輸入電壓”(參考資料 3)。另一種定義方式為“在輸入偏置電流為零時(shí)在運(yùn)算放大器輸出端提供零電壓所需的差分 DC 輸入電壓”，這是測(cè)量輸入失調(diào)電壓的理想理論方法，并不具有實(shí)踐意義，因?yàn)榱爿斎肫秒娏鞯倪\(yùn)算放大器并不存在。

根據(jù)以上定義，您既可將低輸出、高精度、高分辨率的可變電壓電源連接至運(yùn)算放大器的輸入端，也可調(diào)節(jié)輸入電壓，直到輸出電壓為零。那么輸入失調(diào)電壓就只是所應(yīng)用輸入電壓的反選。

這種方法存在兩個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。在測(cè)試具有極高開(kāi)環(huán)增益的運(yùn)算放大器時(shí)，必須確保電壓電源的分辨率小于 1 微伏才能保證獲得任意程度的可重復(fù)性。此外，還必須使用迭代接近法使輸出電壓為零。系統(tǒng)中的噪聲會(huì)耦合到電壓電源和運(yùn)算放大器中，使高速自動(dòng)化測(cè)試環(huán)境下的測(cè)量和控制幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

圖2.使用該電路測(cè)量電壓失調(diào) VOS。

由于理想方法的這些問(wèn)題，因此在工作臺(tái)測(cè)試環(huán)境下所選擇的常用方法是將被測(cè)試器件放在反相增益配置中，如圖2所示。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于不僅被測(cè)試器件很穩(wěn)定，而且通常不需要額外的補(bǔ)償。

此外，測(cè)試電路可能還需要在非反相輸入與接地之間提供一個(gè) 50Ω 電阻器，以抵消輸入偏置電流。不過(guò)，對(duì)于輸入偏置電流極低的運(yùn)算放大器而言，該電阻器的唯一真正“貢獻(xiàn)”就是增加噪聲。對(duì)于 100pA 的器件來(lái)說(shuō)，沒(méi)有該電阻器時(shí)附加誤差只有 0.005μV。這種抵消作用只有在偏置電流的方向和量級(jí)都相等時(shí)才起作用。

圖 2 中的電路是圖 1 中自測(cè)試求和點(diǎn)方法的簡(jiǎn)略，但沒(méi)有電阻器 R1和 R2。該電路對(duì)大多數(shù)運(yùn)算放大器來(lái)說(shuō)具備固有的穩(wěn)定性，其通?？蓧旱谷魏螡撛诘牟蛔?，使之成為首選測(cè)試電路。

如果使用圖 2 中的測(cè)試電路進(jìn)行其它測(cè)試，其缺點(diǎn)就會(huì)顯現(xiàn)。例如，圖 2 中的電路會(huì)對(duì)測(cè)量 IQ和 AOL等其它參數(shù)產(chǎn)生影響。

這種未驅(qū)動(dòng)的電路會(huì)導(dǎo)致 VOS誤差，誤差值等于(VOS* 閉環(huán)增益)* AOL(單位是V/V)。該誤差可能無(wú)關(guān)緊要，也可通過(guò)應(yīng)用適當(dāng)?shù)?VIN使 VOUT為 0.0V 來(lái)降低。

可使用以下計(jì)算公式 1 調(diào)整所需輸出的輸出端誤差補(bǔ)償公式。

VOUT= (2 * ASJ+ ACL- ASJ) * VOUT(理想) (公式 1)

其中 ASJ是求和點(diǎn)增益，ACL是閉環(huán)增益。

通?？稍跍y(cè)試環(huán)路中使用一個(gè)附加放大器，如圖 1 雙放大器環(huán)路所示。這種配置最接近 VOS定義的要求。被測(cè)試器件的輸出保持在環(huán)路放大器至接地的 VOS之內(nèi)。如果環(huán)路放大器支持 VOS調(diào)節(jié)，或者您可通過(guò)控制非反相輸入來(lái)消除失調(diào)，就可以不管環(huán)路放大器的失調(diào)。通過(guò)這種方法，您就可使被測(cè)試器件的輸出為零。在 VOUT端測(cè)得的電壓為 1001*VOS。除非有負(fù)載連接至被測(cè)試器件的輸出端，否則該輸出必須只提供環(huán)路放大器輸入偏置電流。在測(cè)量靜態(tài)電流時(shí)，這對(duì)于低 IQ部件而言是個(gè)重要的注意事項(xiàng)。在前面的兩款電路中，被測(cè)試器件必須將反饋電流提供給 Rf。

通過(guò)將環(huán)路放大器的非反相輸入連接至可編程電壓電源，便可測(cè)量運(yùn)算放大器的其它性能參數(shù)，例如 AOL、輸出擺幅和 CMRR。由于環(huán)路控制電壓是變化的，因此被測(cè)試器件的輸出會(huì)嘗試與控制電壓匹配。

注意，雙放大器環(huán)路有以下缺點(diǎn)：

比自測(cè)試電路更復(fù)雜; 需要環(huán)路補(bǔ)償，因?yàn)殡娐繁旧聿⒉环€(wěn)定; 只能在環(huán)路放大器的共模范圍內(nèi)控制被測(cè)試器件的輸出。

如果環(huán)路未得到適當(dāng)補(bǔ)償，電路就會(huì)振蕩。您可通過(guò)與 Rf并聯(lián)一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娙萜鱽?lái)穩(wěn)定環(huán)路。為環(huán)路放大器布置適當(dāng)?shù)?RC 組合也能穩(wěn)定環(huán)路。我們將在以后的文章中探討該環(huán)路補(bǔ)償問(wèn)題。

雙放大器環(huán)路測(cè)試法的一種變化形式為三放大器環(huán)路，其可通過(guò)電流引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)試器件輸出電壓的控制。該環(huán)路的補(bǔ)償可通過(guò)第二個(gè)環(huán)路放大器的 RC 組合進(jìn)行設(shè)置。與在雙運(yùn)算放大器電路中一樣，被測(cè)試器件的電壓失調(diào)也是在 VOUT端測(cè)量，而且 VOUT是電壓失調(diào)的 1001 倍。該電路拓?fù)淇山鉀Q前一種電路的被測(cè)試器件輸出擺幅限制問(wèn)題。如果需要更大的輸出擺幅，可以減小與環(huán)路控制電壓串聯(lián)的電阻器。

注意，三放大器環(huán)路存在如下缺點(diǎn)：

比其它電路更復(fù)雜; 需要環(huán)路補(bǔ)償，因?yàn)殡娐繁旧聿环€(wěn)定; 被測(cè)試器件的輸出總是具有 1MΩ 的最小負(fù)載。

電源抑制比

PSRR 是電源電壓變化絕對(duì)值與運(yùn)算放大器輸入失調(diào)電壓變化的比值。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是運(yùn)算放大器在特定范圍內(nèi)抑制電源電壓變化的能力。由于需要失調(diào)電壓來(lái)完成該測(cè)量，因此您可使用現(xiàn)有技術(shù)來(lái)測(cè)量 VOS。圖 1 中的三種測(cè)試環(huán)路都可用來(lái)完成 PSRR 測(cè)量。方法是將電源 +VS和 -VS設(shè)置為被測(cè)試器件的最低電源電壓，并測(cè)量 1001*VOS。接下來(lái)，將電源電壓設(shè)置為被測(cè)試器件的最大電壓，然后再次測(cè)量 1001*VOS。公式 2 和公式 3 是 PSRR 的計(jì)算方法。

公式 2

公式 3

在使用這種方法時(shí)，有些運(yùn)算放大器需要考慮其它因素。這些運(yùn)算放大器有足夠低的工作電壓，電源的中間點(diǎn)(零共模電壓)可超過(guò)低電源配置運(yùn)算放大器所允許的最大共模電壓。有些軌至軌輸入器件有多個(gè)輸入級(jí)，可在這種條件下平穩(wěn)工作，但它們會(huì)轉(zhuǎn)換至不同的輸入級(jí)，導(dǎo)致 PSRR 計(jì)算誤差。在這兩種放大器中，固定共模電壓可防止共模飽和或輸入級(jí)轉(zhuǎn)換。為 PSRR 測(cè)試的這兩種測(cè)量方法保持恒定共模電壓，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)可在 PSRR 計(jì)算過(guò)程中抵消的錯(cuò)誤。這些器件所需的實(shí)際共模電壓將根據(jù)放大器輸入級(jí)的拓?fù)渥兓兓?/p>

共模抑制比

CMRR 是差分電壓增益與共模電壓增益之比，也就是運(yùn)算放大器在特定范圍內(nèi)抑制共模電壓的能力。由于需求失調(diào)電壓來(lái)完成該測(cè)量，因此您可使用現(xiàn)有 VOS測(cè)量技術(shù)來(lái)測(cè)量 CMRR。

圖 3. 該雙放大器環(huán)路可幫助您測(cè)量運(yùn)算放大器的 CMRR。

在該測(cè)試過(guò)程中，需要改變輸入共模電壓并測(cè)量運(yùn)算放大器 VOS的變化。最顯而易見(jiàn)的方法是向被測(cè)試器件的非反相輸入端應(yīng)用共模電壓。該方法需要測(cè)量系統(tǒng)以所應(yīng)用的共模電壓為參考。圖3是雙放大器環(huán)路的測(cè)試設(shè)置。

如果您希望完成相關(guān)接地的所有測(cè)量，應(yīng)將非反相輸入連接至接地，并以跟蹤方式正向或負(fù)向移動(dòng)電源，以向放大器應(yīng)用有效共模電壓。必須使輸出處于電源的中間點(diǎn)，才能消除影響 CMRR 測(cè)量的 AOL誤差。公式 4 和公式 5 是 CMRR 的計(jì)算方法。

公式4

公式 5

DC 開(kāi)環(huán)增益

AOL是輸出電壓與差分輸入電壓之比。該測(cè)量需要測(cè)量多個(gè)點(diǎn)的輸入失調(diào)電壓并計(jì)算 AOL。

測(cè)量 AOL時(shí)需要了解一下被測(cè)量運(yùn)算放大器的輸出行為。理想情況下，運(yùn)算放大器可能一直擺動(dòng)至兩個(gè)電源軌。實(shí)際并非如此。AOL在給定負(fù)載下與電軌有一定的距離。

假設(shè)輸出可從 VOUT(正)擺動(dòng)至 VOUT(負(fù))。如果使輸出達(dá)到 VOUT(正)，被測(cè)試器件輸入端的電壓就將為 VOS+ VIN(正)。需要額外的電壓 VIN(正)將輸出驅(qū)動(dòng)到 VOUT(正)。相反，如果使輸出達(dá)到 VOUT(負(fù))，被測(cè)試器件輸入端的電壓就將變?yōu)?VOS+ VIN(負(fù))。您需要測(cè)量輸入端的這種變化，以實(shí)現(xiàn)所需的滿量程輸出。

使用圖1測(cè)量 AOL的方法是：

1. 將適當(dāng)負(fù)載連接至被測(cè)試器件;

2. 根據(jù)正向擺幅的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)規(guī)范，利用 VIN強(qiáng)制設(shè)置 VOUT(正);

3. 測(cè)量 V(1)，即 1001*(VOS+ VIN(正))

4. 然后根據(jù)負(fù)向擺幅的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)規(guī)范，利用 VIN強(qiáng)制設(shè)置 VOUT(負(fù));

5. 測(cè)量 V(2)，即 1001 *(VOS+ VIN(負(fù)))

6. 計(jì)算：

7. 用測(cè)量值替代 VIN(正)和 VIN(負(fù))。

8. 請(qǐng)注意，公式中沒(méi)有了 VOS。