一文解析運(yùn)算放大器測(cè)試循環(huán)

假設(shè)對(duì)于您正在進(jìn)行的項(xiàng)目，您需要一個(gè)運(yùn)算放大器（當(dāng)然，我希望它是 Touchstone 的運(yùn)算放大器之一），并且您想確保放大器滿足您的要求。運(yùn)算放大器的許多參數(shù)可以使用通常稱為運(yùn)算放大器測(cè)試回路的電路進(jìn)行測(cè)量。本質(zhì)上，它允許在不同條件下測(cè)量運(yùn)算放大器的偏移。然后，我們可以從這些偏移測(cè)量中推導(dǎo)出其他參數(shù)，例如輸入偏置和偏移電流、直流大信號(hào)增益、CMRR 和 PSRR。

圖 1 顯示了一個(gè)簡(jiǎn)化的測(cè)試回路。您要測(cè)量的運(yùn)算放大器 DUT（被測(cè)設(shè)備）后面是第二個(gè)輔助運(yùn)算放大器。為輔助放大器選擇一個(gè)良好的寬帶、寬電源范圍精密運(yùn)算放大器。由 99.9kΩ 和 100Ω 電阻組成的反饋路徑閉合了兩個(gè)運(yùn)算放大器周圍的環(huán)路。

圖 1：簡(jiǎn)化的運(yùn)算放大器測(cè)試回路

如果運(yùn)算放大器按預(yù)期工作，則正負(fù)輸入端的電壓幾乎相同，剩下的小差異被定義為偏移電壓。在圖 1 中，此偏移電壓 Vos 明確顯示在 DUT 外部，您可以看到此偏移電壓也出現(xiàn)在 100Ω 電阻器上。流經(jīng) 100Ω 電阻器的電流 Vos/100Ω 也流經(jīng) 99.9kΩ 電阻器。這意味著輔助運(yùn)算放大器輸出端的電壓 Vout 等于 1000 x Vos。

現(xiàn)在看看輔助運(yùn)算放大器。在這里，其輸入端的電壓也將大致相同，并且由于幾乎沒(méi)有電流流過(guò) 5kΩ 電阻器，因此電壓 Vo 將非常接近電壓 Vo-set。然后，我們有一種方法可以強(qiáng)制 DUT 的輸出電壓等于我們?cè)?a target="_blank">端子 Vo-set 上撥入的電壓。

這樣，我們就可以測(cè)量 DUT 運(yùn)算放大器的直流增益。增益定義為指定輸出擺幅與生成此輸出擺幅的兩個(gè)極值所需的輸入電壓差之比：

A_VOL=(〖〖|V〗_(O(2))-V_(O(1))|)/(|V_OS(2) –V_OS(1)|)=(|?V_O|)/(〖|? V】_OS |)= (|?V_O |)/(|?V_OUT |) ×1000

因此，例如，假設(shè)您的 DUT 在 5V 下運(yùn)行，并且它具有軌到軌輸出。您首先將 Vo-set 設(shè)置為 100mV。假設(shè) DUT 的輸入電壓（包括其失調(diào)電壓）現(xiàn)在為 1mV。您將在輔助運(yùn)算放大器的 Vout 端子處將其測(cè)量為 1V。現(xiàn)在將 Vo-set 更改為 4.9V 并再次測(cè)量 Vout，假設(shè)您測(cè)量的是 1.2V。增益為 4.8V/0.2V x 1000，或 24,000 (87.6dB)。測(cè)試環(huán)路使測(cè)量 DUT 的直流增益變得容易，如果沒(méi)有它，將是一項(xiàng)相當(dāng)乏味的工作。

但是等等，還有更多！

圖 2：完整的運(yùn)算放大器測(cè)試循環(huán)

圖 2 顯示了一個(gè)更完整的運(yùn)算放大器測(cè)試循環(huán)。在兩個(gè)運(yùn)算放大器的正輸入端串聯(lián)添加平衡電阻，有一個(gè)可以切換進(jìn)出的負(fù)載電阻，還有兩個(gè)與DUT的輸入串聯(lián)的電阻可以通過(guò)開關(guān)短路。
從最后一個(gè)開始：理想運(yùn)算放大器沒(méi)有輸入偏置電流，但不幸的是理想運(yùn)算放大器不存在，因此您可能想知道 DUT 的實(shí)際輸入偏置電流是多少。在兩個(gè)開關(guān)都關(guān)閉的情況下，您再次測(cè)量 Vout 電壓。現(xiàn)在打開上部開關(guān)，使任何進(jìn)入 DUT 正輸入端子的偏置電流都流過(guò)電阻。輸出電壓 Vout 會(huì)相應(yīng)變化，偏置電流由下式給出：

I_B=(?V_OUT)/(100kΩ ×1000)

你可以對(duì)負(fù)輸入端的輸入偏置電流做同樣的事情，通過(guò)保持兩個(gè)開關(guān)打開，你也可以得到輸入失調(diào)電流。我在此展示的串聯(lián)電阻值為 100kΩ，適用于低至 1nA 左右的輸入偏置電流。對(duì)于 CMOS 放大器很常見的較低電流，您需要增加電阻值，在這種情況下，您可能還需要在大電阻上設(shè)置旁路電容以避免穩(wěn)定性問(wèn)題。

圖 2 還顯示了電路左側(cè)的共模輸入，而不是圖 1 中所示的接地連接。這允許您再次使用相同的方法測(cè)量共模抑制比 (CMRR) ：將共模設(shè)為一級(jí)，測(cè)量 Vout 處的電壓，改變共模，再次測(cè)量，CMRR 由下式給出：

CMRR=(?V_CM)/(?V_OUT) ×1000

請(qǐng)記住，現(xiàn)在需要在 Vout 和 Vcm 之間測(cè)量 Vout 電壓。或者，您可以將 Vcm 保持在 0V，并改變電源電壓 Vcc 和 Vee，以及 Vo set，以實(shí)現(xiàn)相同的共模變化。就像 CMRR 一樣，PSRR（電源抑制比）可以通過(guò)在電源電壓的兩個(gè)電平上獲取 Vout 數(shù)據(jù)并通過(guò)添加更多功能來(lái)測(cè)量，您甚至可以使用該電路來(lái)測(cè)試交流參數(shù)，但是超出了我想在這里介紹的范圍。

環(huán)路中有兩個(gè)級(jí)聯(lián)運(yùn)算放大器，您可能想知道為什么電路不會(huì)振蕩。為了直觀地理解這一點(diǎn)，請(qǐng)考慮輔助運(yùn)算放大器周圍的 1uF 電容器在我們關(guān)心的頻率范圍內(nèi)本質(zhì)上是短路的，因此輔助運(yùn)算放大器用作這些頻率的 1x 緩沖器?，F(xiàn)在，假設(shè) 1x 緩沖區(qū)的帶寬遠(yuǎn)高于整個(gè)測(cè)試環(huán)路的開環(huán)帶寬。出于穩(wěn)定性目的，您可以忽略輔助運(yùn)算放大器的影響，剩下的只是帶有 1000x 電阻分壓器的 DUT。這種組合非常穩(wěn)定，其帶寬將比 DUT 的開環(huán)帶寬低 1000 倍（這證明了忽略輔助運(yùn)算放大器的重要性）。

圖 3：低帶寬 DUT 的運(yùn)算放大器測(cè)試環(huán)路

這種配置適用于廣泛的 DUT 帶寬，即使您的運(yùn)算放大器具有非常適中的帶寬，如超低功耗 TS1001，您仍然可以使其工作，只要您將 5kΩ 電阻器增加到更大的值。但由于運(yùn)算放大器測(cè)試環(huán)路的閉環(huán)帶寬將比帶寬已經(jīng)很低的 DUT 低 1000 倍，因此您現(xiàn)在需要等待長(zhǎng)達(dá)幾秒鐘的時(shí)間才能使電路穩(wěn)定下來(lái)。這在工作臺(tái)上可能沒(méi)問(wèn)題，但如果您想進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，這將行不通。

圖 3 顯示了另一種方法，其中 1uF 電容被 500kΩ 電阻器取代。該電阻器將輔助運(yùn)算放大器配置為 +100x 增益放大器，其帶寬比其開環(huán)帶寬低 100x。例如，如果是 10MHz，則 100x 緩沖器的帶寬為 100kHz，要使其工作，它仍應(yīng)高于 DUT 的帶寬。我們放大 100 倍，然后除以 1000 倍，因此最終結(jié)果是 DUT 看到 1/10 的反饋，這將在 10 秒的毫秒內(nèi)提供可接受的穩(wěn)定。

最后，穩(wěn)定環(huán)路的另一種替代方法如圖 4 所示。這里，正向路徑中沒(méi)有頻率補(bǔ)償或?qū)拵?，而?99.9kΩ 反饋電阻器上的 500pF 電容器提供了微分時(shí)間常數(shù)這將使閉環(huán)條件穩(wěn)定。這種方法將導(dǎo)致更快的環(huán)路響應(yīng)時(shí)間，但要正確地做到這一點(diǎn)，需要更深入地了解兩個(gè)放大器的頻率響應(yīng)，否則最終將使用振蕩器而不是測(cè)試環(huán)路。

圖 4：替代頻率補(bǔ)償

編輯：hfy