КОНТРОЛЬ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ В ЧАСТОТНОЙ ОБЛАСТИ

MONITORING OF OPERATIONAL AMPLIFIERS IN THE FREQUENCY DOMAIN

Danila Safronov

Student, Department of Electronics, Radio Engineering and Communication Systems, I.S. Turgenev Orel State University,

Russia, Orel

Vladislav Mishin

Scientific supervisor, candidate of Technical Sciences, associate professor, I.S. Turgenev Orel State University,

Russia, Orel

АННОТАЦИЯ

Операционные усилители (ОУ) широко используются в различных электронных схемах. Частотные параметры операционных усилителей имеют решающее значение для работы этих схем. В этой статье рассмотрены виды контроля и стандарты методов измерения параметров операционных усилителей. Сформулирована необходимость и приведён метод контроля операционных усилителей в частотной области.

ABSTRACT

Operational amplifiers (OP amps) are widely used in various electronic circuits. The frequency parameters of operational amplifiers are crucial for the operation of these circuits. This article discusses the types of control and standards of methods for measuring the parameters of operational amplifiers. The necessity is formulated and the method of control of operational amplifiers in the frequency domain is given.

Ключевые слова: Операционные усилители; контроль параметров; измерение.

Keywords: Operational amplifiers; parameter control; measurement.

Необходимость контроля возникает как при изготовлении самих операционных усилителей на предприятиях электронной промышленности, так и в процессе изготовления электронных средств (ЭС) с использованием ОУ на сборочных предприятиях. Виды контроля различают в зависимости от его места в технологических процессах изготовления ОУ (операционный, выходной) или сборки ЭС (входной), а также в зависимости от степени охвата контролем продукции (сплошной, выборочный).

Целесообразность и эффективность применения различных видов контроля зависит главным образом от сложности и степени интеграции микросхем, типа логических элементов и целей контрольных испытаний[1].

Для микросхем с малой интеграцией используется параметрический контроль. Он включает в себя измерения основных параметров на постоянном токе. Кроме того, данный вид предусматривает проведение проверки правильности выполнения несложных логических функций, которая проводится одновременно с последовательным измерением выходных электрических сигналов после подачи определенной комбинации калиброванных сигналов тока или напряжения на входы интегральной схемы. Следует отметить, что эффективность параметрического вида контроля с точки зрения оценки работоспособности микросхемы в целом с повышением степени интеграции уменьшается, а измерение некоторых процессов, таких, как время нарастания и спада сигнала, становится трудно выполнимым и порой нецелесообразным.

Функциональный контроль используется для проверки интегральных схем с высокой степенью интеграции и включает в себя проведение статических и динамических измерений на базе контрольной тестовой таблицы, составленной, например, с помощью ЭВМ с учетом минимизации количества входных кодовых комбинаций. Функциональный контроль позволяет проводить проверку больших интегральных микросхем в условиях, близких к эксплуатационным.

Диагностический контроль наиболее эффективен при проведении испытаний гибридных интегральных микросхем, в которых в принципе возможна замена неисправных элементов, расположенных на общей подложке.

Входной контроль осуществляют по параметрам (требованиям) и методам, установленным в нормативно-технической документации (НТД) на контролируемую продукцию, договорах на ее поставку и протоколах разрешения.

При входном контроле для принятия решения о соответствии ОУ требованиям технических условий должны быть определены основные параметры, характеризующие работу ОУ в статическом и динамическом режимах[2].

Статические параметры ОУ:

– максимальные выходные напряжения ОУ положительной и отрицательной полярности (метод измерения законодательно регламентирован стандартом ГОСТ 23089.2-83);

– ток потребления и мощность, потребляемая в статическом режиме (ГОСТ 23089.5-83);

– коэффициент усиления постоянного напряжения (ГОСТ 23089.1-83);

– коэффициент ослабления синфазных входных напряжений (ГОСТ 23089.11-83);

– напряжение смещения нуля (ГОСТ 23089.3-83);

– входное и выходное сопротивления (ГОСТ 23089.17-90)

– входные токи и разность входных токов (для ОУ с входным каскадом на биполярных транзисторах измеряются по ГОСТ 23089.4-83, для ОУ с входным каскадом на полевых транзисторах при расчетах и моделировании используются типовые значения);

Динамические параметры ОУ:

– максимальная скорость нарастания выходного напряжения (ГОСТ 23089.10-83);

– время нарастания выходного напряжения (ГОСТ 23089.10-83);

– время установления выходного напряжения (ГОСТ 23089.6-83).

– частота единичного усиления (ГОСТ 23089.13-86);

– частота среза (ГОСТ 23089.13-86);

– частота полной мощности (ГОСТ 23089.15-90);

– запас устойчивости по фазе (ГОСТ 23089.16-90).

Контроль операционных усилителей в частотной области сводится к измерению и анализу трёх основных параметров: Амплитудно-частотной характеристики, частоты единичного усиления и скорости нарастания/спада выходного напряжения [3].

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) показывает зависимость коэффициента передачи усилителя от частоты входного синусоидального сигнала. Основной метод снятия АЧХ заключается в том, чтобы подавать сигнал неизменной амплитуды, производя измерения на выходе ОУ. Значения выходного напряжения на различных частотах в пределах данного диапазона используются для построения графика. АЧХ можно снять следующими способами:

1. Измерение с помощью генератора сигналов и осциллографа. Этот метод является наиболее простым и доступным. Он заключается в том, что на вход ОУ подается сигнал разных частот, а на выходе измеряется значение напряжения. При этом, используя осциллограф, можно построить зависимость амплитуды напряжения на выходе от частоты входного сигнала. Этот метод наиболее удобен при измерении АЧХ ОУ в лаборатории.
2. Измерение с помощью анализатора спектра. Анализатор спектра позволяет измерять амплитуды сигнала на разных частотах. В этом методе входной сигнал ОУ подается на вход анализатора спектра, который, проанализировав полученный сигнал, строит график АЧХ. Этот метод позволяет получать более точные результаты, поскольку анализатор спектра позволяет измерять АЧХ на более широком диапазоне частот.
3. Измерение с помощью программного обеспечения специализированных программных пакетов. Этот метод предусматривает использование электронной модели, которая позволяет оценить АЧХ ОУ при разных значениях параметров. Этот метод является наиболее удобным при проектировании систем и оптимизации выбора элементов.

Измерение АЧХ ОУ позволяет основательно оценить параметры устройства. При правильном измерении, можно получить информацию о его максимальной и минимальной усилительной способности, шумовом пороге, уровне допустимых и недопустимых искажений сигнала и других основных параметрах. Эти параметры очень важны при проектировании электронных устройств, включающих в себя ОУ. Так же анализ АЧХ позволяет исследовать устойчивость ОУ и определить необходимость внедрения частотной коррекции.

Частота единичного усиления–частота, при которой модуль коэффициента усиления равен 1. Для многих приборов, используемых для обработки высокочастотных сигналов, частота единичного усиления является критическим параметром, который должен быть контролируемым и приспособленным под специфические требования устройства. Для измерения этого параметра необходимо подать синусоидальный сигнал на вход ОУ[4]. Затем производить сравнение напряжений входного и выходного сигналов на разных частотах до тех пор, пока значения не станут равными. Частота, при которой это произошло, фиксируется и является частотой единичного усиления.

Необходимость измерения частоты единичного усиления обусловлена тем, что этот параметр влияет на уровень шума, искажения, а также на скорость реакции усилителя на входной сигнал. Чем выше частота единичного усиления, тем шире полоса пропускания усилителя. Однако, повышение величины этого параметра может привести к уменьшению коэффициента усиления и к увеличению шумовой составляющей. Кроме того, частота единичного усиления влияет на стабильность ОУ. Если частота слишком высока, то усилитель может стать неустойчивым и начать генерировать собственные высокочастотные колебания, что приведёт к искажению выходного сигнала.

Скорость нарастания/спада выходного напряжения определяется как максимальная скорость изменения выходного напряжения ОУ во времени[5]. В различных схемах на ОУ главное влияние скорость нарастания выходного напряжения оказывает на выходную мощность. При прочих равных факторах уменьшение скорости нарастания приводит к падению выходной мощности. Скорость нарастания прямо связана с параметром ОУ, называемым предельной частотой полной мощности. Предельная частота полной мощности определяется как максимальная частота при единичном усилении, для которой ещё можно получить номинальное выходное напряжение синусоидального сигнала на заданной нагрузке и без искажений, связанных с ограниченной скоростью нарастания. Чем выше скорость нарастания выходного напряжения, тем выше предельная частота полной мощности усилителя.

Простой способ наблюдения и измерения скорости нарастания выходного напряжения ОУ заключается в измерении наклона фронта выходного сигнала при подаче на вход перепада напряжения (прямоугольный или импульсный сигнал). Скорость нарастания входного сигнала при этом заведомо должна превышать скорость нарастания выходного напряжения данного ОУ[6]. Таким образом, выходной сигнал не будет иметь форму прямоугольного или импульсного напряжения, а окажется проинтегрированным. Контроль частотных параметров операционных усилителей необходим для обеспечения их правильной работы и предотвращения любых потенциальных проблем, которые могут возникнуть из-за частотно-зависимых эффектов.

Список литературы:

1. Горлов, М. И. Входной контроль полупроводниковых изделий / М. И. Горлов, А. В. Андреев // Микроэлектроника. – 2003. – Том 32. – № 5. – С.390 – 399.
2. Медведев, А. М. Входной контроль компонентов / А. М. Медведев, А. Т. Бекишев // Компоненты и технологии. – 2008. – № 10. – С. 161 – 164.
3. Мартяшин, А. И. Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения / А. И. Мартяшин, Э. К. Шахов, В. М. Шляндин. – М.:  Энергия, 1976. – 392 с.
4. Хмелевская, О. В. Качество начинается с входного контроля // Технологии в электронной промышленности. – 2008. – № 4. – С. 30 – 32.
5. Ленк, Дж. Руководство для пользователей операционных усилителей: Пер. с англ./Под ред. И.Н. Теплюка. – М.: Связь, 1978. – С. 312 – 324
6. Коломбет, Е. А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. – М.: Радио и связь, 1991. – С.24 – 34