Тестер ОУ
Предисловие
Эта публикация посвящена любительскому прибору, изготовив который по нашему описанию в своей домашней мастерской, вы сможете измерять основные параметры микросхем операционных усилителей. Но прежде чем приступать непосредственно к описанию схемы и конструкции этого прибора, мы подробно обсудим его принципы работы и используемые в нем методики измерений. Автор очень рекомендует не пропускать чтение этих вступительных разделов и тех первоисточников, ссылки на которые вы найдете в конце этой страницы. Без ясного понимания, на каких принципах работает описываемый измеритель параметров, вы не сможете его повторить, настроить и использовать в своей радиолюбительской практике, поэтому начнем наше повествование с самых общих вопросов.
Для чего нужно измерять параметры ОУ?
Операционные усилители (ОУ) – это особый тип микросхем, для которых существует некий идеальный образ – усилитель с бесконечно большим коэффициентом передачи, с бесконечно большим входным сопротивлением и с бесконечно малыми погрешностями в виде напряжений и токов смещения. Разработчики и производители ОУ на сегодняшний день почти достигли этого идеального образа – даже у недорогих микросхем массовых серий коэффициент передачи может достигать десятков миллионов, входное сопротивление измеряется тераомами, а токи смещения – пикоамперами. При таких экстремальных значениях параметров измерять их, во-первых, чрезвычайно сложно (например, где вы найдете прибор, способный измерять токи в несколько пикоампер?), а во-вторых, вроде бы и не нужно, поскольку поведение устройства, в котором используется такая микросхема, зависит главным образом не от параметров самого ОУ, а от окружающих его элементов, например, от цепи обратной связи, которой он охвачен.
Возможно, поэтому автору и не приходилось слышать о доступных, массовых (а, значит, недорогих) приборах, позволяющих измерить основные параметры микросхем ОУ. Вот для транзисторов, конденсаторов, диодов, индуктивностей и разных других электронных компонентов таких измерителей параметров имеется огромное множество, можно и готовые купить, и самому сделать по описаниям, а для операционных усилителей подобных приборов в окружающем пространстве как-то не видно. Максимум из того, что есть – простенькие пробники, представляющие собой мультивибратор со светодиодом на выходе – испытуемый ОУ вставляется в соответствующую панельку такого пробника, если заморгал светодиод – исправен, не заморгал – выбрасывай.
Таким образом, получается, что вопросом измерения параметров ОУ озабочены главным образом их производители, а потребители довольствуются тем, что написано в справочном листке ("даташите"). Производители создают для испытания своей продукции сложные лабораторные стенды вроде выпускавшегося лет сорок назад в СССР измерителя параметров аналоговых микросхем Л2-71, весившего около тридцати килограммов и требовавшего очень долгой и сложной ручной перенастройки для измерения каждого из параметров для каждого типа микросхемы. Подобные испытательные стенды выпускаются в единичных экземплярах, стоят огромных денег и позволяют производителям убедиться в том, что параметры изготовленой ими микросхемы соответствуют документации, а потребители просто верят тому, что сказано в этой документации, не имея возможности проверить, так ли это на самом деле. Указал, например, производитель, что напряжение смещения не превышает 5 мВ, ну, значит, считаем, что так оно и есть.
И вся эта идиллия так и продолжалась бы по сей день, но в дело вступили изготовители электронных компонентов из Юго-восточной Азии, которые в последние годы сильно поменяли пейзаж в области производства микросхем вообще и операционных усилителей в частности. Мы уже не говорим о случаях явного контрафакта, когда заведомо изготавливают одну микросхему, а на корпус наносят маркировку другой, или даже сошлифовывают старое название и вместо него печатают новое (хотя, злые языки говорят, что такого рода подделки составляют не менее половины продаваемых на известных интернет-площадках изделий), но даже в случае, когда производитель не собирался никого обманывать и очень старался изготовить именно то, что обозначено на корпусе, случается так, что у него это не совсем выходит и в продаже оказываются огромные партии изделий, параметры которых могут отличаться от паспортных в десятки, а то и в сотни раз.
Что мы будем делать в рамках этого проекта?
Прочитав предыдущий абзац, читатель, видимо, уже понял, что рынок наполнился разного рода "левыми" микросхемами и что пора уже брать в руки паяльник и приступать к изготовлению прибора, который позволил бы объективно оценивать характеристики ОУ и определять, соответствуют они паспортным данным или нет. Поможет этот прибор также и в случае, когда вам понадобится отобрать один экземпляр ОУ с наилучшим значением какого-либо параметра из имеющейся в наличии дюжины аналогичных микросхем и во многих других жизненных ситуациях. Именно разработкой и изготовлением такого прибора мы и займемся в рамках данного проекта.
Первоначально предполагалось назвать прибор "Испытательный стенд для автоматизированного измерения основных параметров интегральных микросхем операционных усилителей в домашних условиях", но те коллеги, с которыми автор поделился этой идеей, посчитали такое название слишком помпезным, поэтому после некоторых раздумий решено было назвать его просто "Тестер ОУ".
Методика измерений
Основополагающим источником информации, раскрывающим, каким именно образом производители ОУ измеряют параметры своих изделий, для нас является статья Джеймса Брайанта "Simple Op Amp Measurements" [1], название которой можно приблизительно перевести на русский как "Простой способ измерения параметров операционных усилителей". Статья опубликована в корпоративном журнале компании Analog Devices в апреле 2011 года. и в ней приводится схема измерений и соответствующий математический аппарат для расчета значений основных параметров ОУ. В интернете можно найти перевод этой статьи на русский язык [2], который может быть полезен тем, кто не владеет английским в достаточной степени чтобы читать оригинал.
Автор статьи, Джеймс Брайант, много лет трудился в европейском отделении компании Analog Devices (AD) - известного производителя аналоговых микросхем и, в частности, микросхем операционных усилителей, поэтому хорошо знает предмет, о котором пишет. Обобщив накопленный компанией опыт и существовавшие еще с 80-х годов ХХ-го века международные и национальные стандарты в этой области, он предложил действительно простую, но при этом весьма эффективную схему и методику измерений, которую не только AD, но и многие другие производители ОУ приняли в качестве своего корпоративного стандарта. Так поступила, например, японская компания Renesas Electronics, выпустив в 2022 году документ под названием "Bench-Testing Important DC-Parameters of Operational Amplifiers. Application note." [3] ("Лабораторные испытания важных параметров постоянного тока операционных усилителей. Руководство по применению."). В этом документе приводится та же схема измерений и те же расчеты, что и в публикации Д.Брайанта. Однако есть и ценные для нас дополнения - во-первых, добавлен раздел, где приводятся практические результаты измерений параметров одного из выпускаемых компанией ОУ. Во-вторых, при подготовке этого руководства были приведены в порядок расчетные формулы, что заметно упрощает восприятие материала и его использование в практических целях. Так что, если вы владеете английским, то из трех упомянутых тут публикаций лучше всего воспользуйтесь документом Renesas [3] для того чтобы понять, как именно производятся измерения и как вычисляются их результаты. Если же вы предпочитаете тексты на русском языке, тогда читайте перевод [2], но, в любом случае, для понимания дальнейшего изложения вам надо будет ознакомиться с методикой измерений, изучив хотя бы один из этих источников.
В процессе описания нашего Тестера ОУ на этом сайте мы будем постоянно ссылаться на схему измерений из статьи Д.Брайанта (или на точно такую же схему из документа Renesas) а для краткости далее будем называть ее "базовая схема".
Наконец, те наши читатели, которые захотят еще глубже погрузиться в теорию, схемотехнику и практику использования ОУ, могут разыскать в интернете русское издание книги И.Достала "Операционные усилители", выпущенное издательством "Мир" в 1982 году [4]. Этот фундаментальный (513 страниц!) труд содержит чрезвычайно подробные сведения буквально обо всем, что имеет отношение к проектированию, производству и использованию ОУ. Сведения эти изложены достаточно простым языком, вполне доступным для любителей электроники, не имеющих специального образования в этой области. И, конечно, в этой книге имеется раздел (глава 5), посвященный измерению параметров ОУ, где на странице 162 читатель увидит схему измерений параметров ОУ по постоянному току, очень похожую на базовую схему, о которой мы говорили чуть выше.
Автоматизация измерений
Отметим, что базовая схема измерений предполагает ручную коммутацию цепей измерительного стенда при помощи нескольких механических переключателей и ничего не говорит о том, какие средства используются непосредственно для измерений и вычислений. По-видимому, предполагается, что оператор сначала при помощи переключателей переводит испытательный стенд в режим измерения одного из параметров, затем посредством внешнего измерительного прибора (вольтметра) измеряет напряжения в определенных точках схемы, записывая результаты на бумажку и, наконец, взяв в руки калькулятор, пересчитывает измеренные значения напряжений в параметры ОУ по приведенным в статье формулам. Далее этот процесс повторяется для каждого из остальных параметров.
Мы же, как и при разработке других измерительных приборов, описанных на этом сайте, будем стараться максимально автоматизировать процесс измерений, поэтому вместо множества переключателей будем использовать управляемую микроконтроллером автоматическую коммутацию элементов схемы, а также будем измерять напряжения, вычислять значения параметров ОУ и выводить их на дисплей при помощи того же микроконтроллера. Такая автоматизация позволит выполнить весь спектр измерений буквально одним нажатием кнопки.
Какие параметры ОУ мы будем измерять?
Основные электрические параметры микросхем ОУ могут быть условно поделены на три группы:
- параметры режима постоянного тока - напряжение и токи смещения, коэффициенты усиления и подавления паразитных сигналов, ток потребления и другие параметры, измеряемые при отсутствии входных/выходных сигналов переменного тока,
- частотные, фазовые и временные параметры - полоса пропускания, скорость нарастания выходного напряжения и другие параметры, измеряемые в режиме усиления сигналов переменного тока,
- шумовые параметры - напряжение шума, спектральная плотность шума и др.
При разработке тестера ОУ мы сосредоточимся главным образом на первой группе параметров потому, что именно эти параметры позволяют определить, с каким типом ОУ мы имеем дело, например, по величине и по направлению входных токов выяснить тип транзисторов входного каскада, а по величине потребляемого тока предположить (с некоторой долей вероятности) к какой категории он относится - микромощный, быстродействующий и так далее. Кроме того, измерение частотных и шумовых характеристик ОУ потребовало бы существенного усложнения (а значит, удорожания) тестера. Поэтому для первой версии прибора мы решили ограничиться только параметрами постоянного тока в соответствии с документом Renesas [3] с небольшим добавлением (см. ниже), а измерением параметров переменного тока и шумовых характеристик ОУ, возможно, займемся позже, при дальнейшей его модификации.
В таблице приведены обозначения, русские и международные наименования измеряемых параметров, а также краткое пояснение их смысла.
| Обозна-чение | Ед. изм | Международное наименование | Русское наименование | Пояснение |
|---|---|---|---|---|
| VOS | mV | Input Offset Voltage | Напряжение смещения | Дифференциальное (между входами) напряжение, необходимое для того, чтобы выходное напряжение ОУ стало равно нулю. |
| IB | µA | Input Bias Current | Входной ток смещения | Втекающий или вытекающий по входам ток. IB вычисляется как среднее (полусумма) измеренных по отдельности токов смещения по входам IB+ и IB- |
| IOS | nA | Input Offset Current | Входной ток сдвига | Разность измеренных по отдельности входных токов смещения IB+ и IB- |
| AOL | V/mV | Open-Loop Gain | Коэффициент усиления по напряжению | Отношение приращения выходного напряжения к вызвавшему его приращению дифференциального входного напряжения в схеме без обратной связи |
| CMRR | dB | Common Mode Rejection Ratio | Коэффициент ослабления синфазного сигнала | Отношение приращений синфазного и дифференциального входных напряжений, вызывающих одинаковое приращение выходного напряжения |
| PSRR | dB | Power Supply Rejection Ratio | Коэффициент подавления нестабильности питания | Отношение изменения напряжения питания к вызванному им изменению напряжения смещения |
| IQ | mA | Quiescent Current | Ток потребления | Собственный ток потребления. Для 2-х и 4-х канальных микросхем - суммарный потребляемый ток всех каналов. |
| dVOS/dT | µV/°С | Offset Voltage Drift | Дрейф напряжения смещения | Изменение напряжения смещения ОУ VOS, вызванное изменением температуры окружающей среды или самопрогревом кристалла микросхемы. |
Набор параметров у нас немного шире чем в документе Renesas - добавлено измерение тока, потребляемого ОУ от источника питания Iq, а также измерение температурного дрейфа напряжения смещения dVOS/dT. Величина потребляемого микросхемой ОУ тока обычно составляет единицы миллиампер, поэтому его измерение не вызывает особых трудностей, а о том, каким образом будет измеряться дрейф VOS, будет подробнее рассказано в следующей части этой публикации.
И еще одно отличие нашего прибора от базовой схемы - возможность тестировать не только ОУ со стандартным напряжением питания ±12 В, но и низковольтные ОУ, у которых максимально допустимое напряжение питания обычно составляет ±3 В, а номинальное - ±2.5 В. Такие ОУ все чаще применяются в различных электронных устройствах в последние годы, поскольку хорошо сочетаются с микроконтроллерами и, имея очень низкое потребление тока, прекрасно подходят для устройств с батарейным питанием.
Теперь, когда мы ответили на самые общие вопросы - что за прибор мы делаем, для чего он нужен, каким образом и что именно он будет измерять, можно переходить к следующей части этой публикации, где мы более детально познакомимся с процессом измерения параметров ОУ, реализованном в описываемом устройстве, а также поговорим о влиянии температуры на параметры ОУ и о временной диаграмме измерений.
Литература
- James M. Bryant. Simple Op Amp Measurements. Analog Dialogue 45-04, April 2011.
- Дж. Брайант. Измерение параметров операционных усилителей. Русский перевод.
- Bench-Testing Important DC-Parameters of Operational Amplifiers. Application notes. Renesas Electronics 2022.
- И.Достал "Операционные усилители". Москва, "Мир", 1982.