運(yùn)算放大器測試基礎(chǔ)第4部分：測試運(yùn)算放大器需要穩(wěn)定的測試環(huán)路

Other Parts Discussed in Post： OPA454， OPA445， OPA551， OPA227， TINA-TI

作者：Martin Rowe — 2012 年 5 月 11 日

在前幾篇文章中，我們介紹了一些基本測試技術(shù)以及設(shè)計(jì)和測試運(yùn)算放大器時(shí)會(huì)出現(xiàn)的誤差源。我們建議您在根據(jù)最后這篇文章介紹的測試電路知識(shí)及使用進(jìn)行任何設(shè)想之前，先閱讀一下之前的幾篇文章。

本文我們將介紹使用推薦測試電路時(shí)所涉及的補(bǔ)償問題。如果測試電路中的環(huán)路不穩(wěn)定，那它就沒有用。在測試過程中要一直監(jiān)控被測試器件測試環(huán)路的輸出。如果環(huán)路發(fā)生振蕩，而您不知道，您可能會(huì)報(bào)告不好的結(jié)果。更糟糕的是，您可能很晚才發(fā)現(xiàn)，而此時(shí)糾正該問題已經(jīng)更難了。

自測試補(bǔ)償

以最簡單的形式看，圖 1 中的自測試電路實(shí)際上是一款增益為 1201 的閉環(huán)系統(tǒng)。如果將 R1 減小至 5kW，閉環(huán)增益就是 301。因此，它具有固有的穩(wěn)定性，即使采用未經(jīng)補(bǔ)償、不具有單位增益穩(wěn)定性的運(yùn)算放大器也是如此。不過，當(dāng)我們修改環(huán)路用于進(jìn)行 IB 測試時(shí)，該電路會(huì)變得不穩(wěn)定。因此，在配置被測試器件進(jìn)行 IB 測試時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎行事。您可通過在圖 1 中的電阻器 RF 周圍添加一個(gè)補(bǔ)償電容器 （CCOMP） 來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性。

圖 1.自測試環(huán)路電路，用來測試被測試放大器隨頻率變化的增益。

使用大型電阻器測試 IB 時(shí)，需要為每個(gè) Ib 電阻器布置一個(gè)小電容器，以保持環(huán)路穩(wěn)定（請(qǐng)參考之前的文章）。添加該電容器可降低電阻器噪聲，但要注意在測量之前要完全充電電容器。

雙放大器環(huán)路補(bǔ)償

有兩種方法可以補(bǔ)償雙放大器環(huán)路。Don Lewis 在他的一篇文章中將這兩種方法描述為第 1 類及第 2 類補(bǔ)償（參考資料 1）。圖 2 是第 1 類測試電路的拓?fù)?，它被認(rèn)為是一種保守的雙放大器環(huán)路補(bǔ)償方案。正確選擇 R1 和 CCOMP 將補(bǔ)償環(huán)路。

圖 2.環(huán)路放大器的電容器 CCOMP 可提供第 1 類補(bǔ)償。

圖 3 是第 2 類測試電路拓?fù)?。同樣，正確選擇 CCOMP 將補(bǔ)償環(huán)路。

圖 3.反饋電阻器 RF 的電容器 CCOMP 可提供第 2 類補(bǔ)償。

有幾款運(yùn)算放大器適合環(huán)路放大器，它們包括 OPA445、OPA454、OPA551 和 OPA627BP，但其它類似器件也沒問題。表 1 針對(duì)該目的使用的任何放大器列出了重要的特性參數(shù)：

表1.第 1 類及第 2 類補(bǔ)償所需的放大器特性。

放大器VIO*Vsupply輸出擺幅共模范圍

OPA445BM+/-3mV+/-40V（V-） +5；（V+） - 5（V-） + 5V 至 （V+） - 5V

OPA454+/-4 mV+/-50 V（V-） + 1；（V+） - 1（V-） + 2.5V 至 （V+） - 2.5V

OPA551+/-3 mV+/-30 V（V-） + 2；10mA 下（V+） -2 @（V-） + 2.5V 至 （V+） - 2.5V

OPA627BP100 μV+/-15 V（V-） + 3.5；（V+） -3.5（V-） + 4V 至 （V+） - 4V

被測試器件的開環(huán)增益除 VIO，可得到所有被測試器件 VIO 的測量值，但這會(huì)為被測試器件的 VOUT 精確度帶來 1:1 的影響。

如果失調(diào)電壓時(shí)間增益會(huì)導(dǎo)致環(huán)路放大器輸出進(jìn)入電軌，您可能需要一款電源大于被測試器件電源的環(huán)路放大器。這種情況下可能需要對(duì)被測試器件的最終性能進(jìn)行微調(diào)。例如，如果最初未微調(diào)的失調(diào)電壓是 20mV，那么環(huán)路放大器就需要能夠支持 20V 擺動(dòng)。這種問題在測量 IB 時(shí)也會(huì)出現(xiàn)。

指零放大器的輸入共模范圍是重要的考慮因素。將環(huán)路放大器的電源與共模范圍進(jìn)行部分結(jié)合，必須有助于實(shí)現(xiàn)被測試器件的軌至軌輸出。您可以通過偏移被測試器件的電源來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。在環(huán)路放大器中獲得額外的共模范圍非常便捷。

一旦選擇環(huán)路放大器，您就需要獲取環(huán)路放大器和被測試器件的波特圖。圖 4 是 OPA551 和 OPA227 的波特圖。這些波特圖都是來自產(chǎn)品說明書的典型曲線。我們將 OPA551 作為環(huán)路放大器，將 OPA227 作為被測試器件，如圖 4 中的實(shí)例所示。

（a）

（b）

圖 4. （a） OPA551 和 （b） OPA227 的波特圖顯示了增益和相位與頻率的關(guān)系。

從圖 4 中的波特圖可以看到，OPA551 的增益帶寬 （GBW） 是 3MHz，OPA227 的增益帶寬是 8MHz。OPA551 的 DC 增益大約為 125dB，OPA227 的 DC 增益大約是 160dB。

第 1 類補(bǔ)償法

有了環(huán)路放大器和被測試放大器的波特圖，您可以繪制出代表測試環(huán)路的波特圖?？墒褂脤?duì)數(shù)標(biāo)尺方格紙手工繪制波特圖來確定補(bǔ)償電容器值，這種方法固然可靠，不過使用電子數(shù)據(jù)表會(huì)使該任務(wù)得到大幅簡化。一旦設(shè)定好了電子數(shù)據(jù)表，再為任何新部件確定補(bǔ)償值都會(huì)很輕松。

第 1 類補(bǔ)償需要用到幾個(gè)公式。被測試器件使用公式 1：

在 Excel 表格中應(yīng)為：=20*LOG10（$C$7/（SQRT（1+（$A10/$C$6）^2））），其中 $C$7 = 產(chǎn)品說明書中的 DC Aol，$A10 是頻率，$C$6 為 3db 衰減頻率。

公式 1 應(yīng)該創(chuàng)建一個(gè)與被測試器件產(chǎn)品說明書中開環(huán)增益曲線匹配的曲線。您可通過調(diào)整 3dB 點(diǎn)來確定曲線，獲得正確的帶寬。

現(xiàn)在添加反饋曲線。這只是一條處于 60dB 位置的直線，也就是 1000 增益的反饋。如果您使用增益為 100 的測試環(huán)路，就應(yīng)使用 40dB。公式 1 與 60dB 直線的交叉點(diǎn)是臨界交點(diǎn)頻率 fC。逼近率是每十倍頻程 20dB，而且添加的任何補(bǔ)償都必須保持這個(gè)逼近率。參考圖 5 查看詳細(xì)內(nèi)容。在 Excel 表格中，只需在反饋欄中填入 60 或 40。

本實(shí)例中的臨界交點(diǎn)頻率大約是 8.6kHz。該頻率 f1 應(yīng)設(shè)定為 fC 的四分之一，以獲得 2150Hz 的最佳環(huán)路響應(yīng)。如果您將 R1選擇為 10kW，可使用公式 2 來計(jì)算 CCOMP：

補(bǔ)償環(huán)路放大器的公式為：公式3

在 Excel 表格中應(yīng)為：= -20*LOG10（1/SQRT（1+（$E$6/$A10）^2）），其中 $E$6 = 1/（2πR1CCOMP），$A10 是頻率。

在雙放大器環(huán)路中，被測試器件的輸出可作為輸入連接至環(huán)路放大器。因此，這些運(yùn)算放大器可進(jìn)行級(jí)聯(lián)。增益是兩個(gè)放大器增益的乘積。以分貝為單位時(shí)，增益乘積就是求和。由于我們以分貝為單位，因此應(yīng)將公式 1 和公式 3 相加得到兩個(gè)放大器的總和。

在Excel表格中應(yīng)為：=B10+C10

圖 5 是 CCOMP 取 2.2nF、7.7nF 和 22nF 這三個(gè)值時(shí)的頻率響應(yīng)。我們選擇這些補(bǔ)償值可獲得欠阻尼、臨界阻尼和過阻尼測試環(huán)路的實(shí)例。即使環(huán)路放大器的截止頻率不斷增加，直到接近 fC 為止，測試環(huán)路仍然很穩(wěn)定。截止頻率也可降低，而且測試環(huán)路仍然很穩(wěn)定。很大范圍的電容器值都會(huì)使環(huán)路穩(wěn)定。但要有一個(gè)對(duì)趨穩(wěn)時(shí)間的權(quán)衡。如果選擇的環(huán)路放大器截止頻率為 fC 的四分之一，我們就可獲得最佳趨穩(wěn)時(shí)間，該環(huán)路就為臨界阻尼。用 TINA-TI *** 仿真測試環(huán)路，可顯示 CCOMP 的效果。

圖 5：第 1 類補(bǔ)償?shù)牟ㄌ貓D顯示：控制環(huán)路在 fc=8.5kHz 時(shí)為臨界阻尼。

點(diǎn)擊圖片放大

圖 6 中的電路可仿真第 1 類環(huán)路響應(yīng)。

圖 6.使用 TINA *** 仿真的電路可提供第 1 類補(bǔ)償。

我們分別針對(duì) C1=2.2nF、7.7nF 和 22nF 運(yùn)行了瞬態(tài)仿真。環(huán)路控制輸入從 0V 變成了 10V，就像測量運(yùn)算放大器 Aol 時(shí)的情況一樣。圖 7 是所得的輸出波形。三種情況環(huán)路都很穩(wěn)定，但小于 7.7nF 時(shí)有明顯的振鈴。因此，環(huán)路為欠阻尼。電容器值高于 7.7nF 時(shí)，環(huán)路為過阻尼狀態(tài)。電容器為 22nF 時(shí)，環(huán)路在 1.0ms 內(nèi)還未趨穩(wěn)。它最終還是會(huì)趨穩(wěn)，但會(huì)消耗更多的測試時(shí)間。

圖 7.第 1 類補(bǔ)償?shù)?TINA-TI *** 仿真結(jié)果。

第 2 類補(bǔ)償法

對(duì)于第 2 類補(bǔ)償，我們需要繪制出被測試器件和環(huán)路放大器的波特圖。公式 4 至 5 相同，但一個(gè)代表被測試器件，另一個(gè)代表環(huán)路放大器。

公式 4 用于被測試器件：

在 Excel 表格中應(yīng)為：= 20*LOG10（$C$7/（SQRT（1+（$A10/$C$6）^2））），其中 $C$7 是被測試器件的 DC 增益，$A10 是頻率，而 $C$6 則是被測試器件的 3dB 衰減頻率。

公式 5 適用于補(bǔ)償環(huán)路放大器：

在 Excel 表格中應(yīng)為：=20*LOG10（$B$7/（SQRT（1+（$A10/$B$6）^2））），其中 $B$7 是環(huán)路放大器的 DC 增益，$A10 是頻率，而 $B$6 則是環(huán)路放大器的 3dB 衰減頻率。

接下來繪制這兩條增益曲線的總和圖。

最后，使用公式 6 繪制反饋網(wǎng)絡(luò)的曲線

在 Excel 表格中應(yīng)為：=20*LOG10（$B$7/（SQRT（1+（$A10/$B$6）^2））），其中 $B$7 是環(huán)路放大器的 DC 增益，$A10 是頻率，而 $B$6 則是環(huán)路放大器的 3dB 衰減頻率。

接下來繪制這兩條增益曲線的總和圖。

最后，使用公式 6 繪制反饋網(wǎng)絡(luò)的曲線：

在 Excel 表格中，等式為：=20*LOG10（$E$7/（SQRT（1+（$A10/$E$6）^2））），其中 $E$7 是增益，$A10 是頻率，而 $E$6 則是 1/（2pRFCCOMP）。

圖 8 是所得到的曲線。

代表兩個(gè)放大器之和的曲線以每十倍頻程 20dB 的逼近率與反饋曲線相交，而且是穩(wěn)定的。選擇合適的 CCOMP 值，使反饋增益曲線下降并在 30dB 的位置穿過合并的放大器響應(yīng)（這是兩個(gè)放大器之和），這就是臨界頻率 fC。有寬泛的補(bǔ)償值都可使環(huán)路保持穩(wěn)定。圖 8 不僅給出了 10pF 補(bǔ)償電容器的曲線，其在 f1 處穿過合并曲線，而且還給出了 100pF 電容器的曲線，其在 f2 處穿過合并曲線。同樣，我們還使用 TINA-TI *** 顯示三個(gè)補(bǔ)償電容器值的效果。

圖 8. 第 2 類補(bǔ)償波特圖顯示了不同電容器值的環(huán)路響應(yīng)。

圖 9 是不同補(bǔ)償電容器對(duì)環(huán)路趨穩(wěn)時(shí)間的影響。選擇用于提供 30dB 交點(diǎn)頻率的電容器，可獲得臨界阻尼響應(yīng)。

圖 9.第 2 類補(bǔ)償?shù)?TINA *** 仿真結(jié)果顯示：電容器可影響趨穩(wěn)時(shí)間。

現(xiàn)在我們可以比較兩類補(bǔ)償?shù)沫h(huán)路響應(yīng)。當(dāng)是臨界阻尼時(shí)，第 2 類補(bǔ)償可使電路在大約 27μs 內(nèi)趨穩(wěn)。這就意味著它的趨穩(wěn)時(shí)間是 17μs，因?yàn)閳D 9 中環(huán)路控制在 10μs 時(shí)被改變。第 1 類補(bǔ)償直到大約 450μs 時(shí)才穩(wěn)定。第 2 類補(bǔ)償趨穩(wěn)時(shí)間要快 26 倍。即使第 2 類補(bǔ)償是欠阻尼和過阻尼狀態(tài)，趨穩(wěn)速度也比使用第 1 類補(bǔ)償快。

最后，在使用大型電阻器測量輸入偏置電流時(shí)，大電阻與被測試器件輸入電容的相互作用，會(huì)導(dǎo)致足夠的相移使環(huán)路不穩(wěn)定。輸入偏置電流的測試電路可顯示大型電阻器的電容器。正確值通常必須通過試驗(yàn)確定。別忘了在測量之前必須完全充電電容器。在測試進(jìn)行過程中使用示波器監(jiān)控測試環(huán)路，可確保所有測量的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。

用來選擇 CCOMP 的數(shù)學(xué)方法

您可計(jì)算理想的 CCOMP 值，而不是使用波特圖或 *** 仿真。圖 10 是每種補(bǔ)償類型的電容器 CCOMP 布置位置。

圖 10. 第 1 類補(bǔ)償在整個(gè)反饋環(huán)路上布置一個(gè)電容器。而第 2 類補(bǔ)償則只在放大器 2 上布置反饋電容器。

有了 RF、RIN、RC 和 BW1（見圖 10），我們可通過公式 7 計(jì)算第 1 類補(bǔ)償?shù)?CCOMP。

有了 RF、RIN、BW1 和 BW2（見圖 10），我們可通過公式 8 計(jì)算第 2 類補(bǔ)償?shù)?CCOMP。

如果仍然有振蕩，該怎么辦？

即便進(jìn)行了適當(dāng)補(bǔ)償，兩個(gè)放大器環(huán)路仍然可能會(huì)有振蕩，特別是在測試 IB 時(shí)。這就是第 3 部分所介紹拓?fù)涞膶?shí)用性所在。這樣，在雙放大器環(huán)路出現(xiàn)問題時(shí)，您可使用自測試環(huán)路。而且，可使用兩種不同的方法測試，其可用來驗(yàn)證測試功能。在不發(fā)生振蕩并有足夠趨穩(wěn)時(shí)間的情況下，兩種環(huán)路應(yīng)該得到相同的結(jié)果。盡管可能似乎有些多余，但仍然有必要再次提醒一下：在測試過程中必須一直使用示波器監(jiān)控測試。

開發(fā)運(yùn)算放大器測試方案時(shí)，電路板布局非常重要。在我們的一種最初探測解決方案中，有一條跡線從被測試器件的輸出引入到了被測試器件輸入引腳的底部。該寄生電容創(chuàng)建了一個(gè)正向反饋回路，導(dǎo)致環(huán)路發(fā)生了振蕩。圖 11 顯示了該布局錯(cuò)誤。這個(gè)問題花了很長時(shí)間才找到。解決辦法是切斷電路板內(nèi)層上這條松動(dòng)的跡線，然后在圍繞該問題連接一根藍(lán)色跳線。因此，在審核印刷電路板 （PCB） 布局時(shí)，應(yīng)多加小心，特別是在使用自動(dòng)布線功能時(shí)。

圖 11. 由于布局有問題，必須切斷跡線，添加一根跳線。點(diǎn)擊圖片放大。

結(jié)論

對(duì)于測試各種 DC 運(yùn)算放大器而言，這些測試方法和電路都非常有用。自測試與雙放大器環(huán)路相結(jié)合，可為解決煩人的振蕩問題帶來極大優(yōu)勢。記住，趨穩(wěn)時(shí)間非常重要，因?yàn)闇y試時(shí)間很寶貴。還得強(qiáng)調(diào)一下，在開發(fā)測試解決方案時(shí)要一直使用示波器。開發(fā)時(shí)，得將示波器連接在測試電路上，這樣可保無憂。

參考資料

1.Lewis， Don，《線性 IC 測試環(huán)路的補(bǔ)償》，摘自《電子測試》，Benwill Publishing，第 84-85 頁，1979 年 5 月。

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下載這些產(chǎn)品說明書

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作者簡介

David R. Baum 是德州儀器 （TI） 的一名模擬 IC 設(shè)計(jì)工程師，負(fù)責(zé)開發(fā)用于 LCD 和 AMOLED 電視的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。David 擁有超過 27 年的豐富模擬設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和至少 7 項(xiàng)專利。他畢業(yè)于位于亞利桑那州圖森市的亞利桑那大學(xué)，以優(yōu)異的成績獲得電子工程學(xué)士學(xué)位、MBA 以及德國文學(xué)碩士學(xué)位。郵件地址：ti_davidbaum@list.ti.com。

Daryl Hiser 是 TI 高精度運(yùn)算放大器產(chǎn)品部的高級(jí)測試工程師，負(fù)責(zé)制定和執(zhí)行新產(chǎn)品的測試與特性描述方案，擁有兩項(xiàng)專利。他畢業(yè)于位于亞利桑那州 Flagstaff 市的北亞利桑那大學(xué)，獲動(dòng)物學(xué)理學(xué)學(xué)士學(xué)位。郵件地址：ti_darylhiser@list.ti.com。

原文鏈接：

http://www.edn.com/electronics-news/4389690/The-basics-of-testing-op-amps-part-4-br--Testing-op-amps-requires-stable-test-loops

編輯：jq