Тестер ОУ

Процесс измерения параметров ОУ

Прочитав основополагающие документы, ссылки на которые имеются в предыдущей части этой публикации, читатель легко представит себе последовательность действий, которую должен выполнить тестер ОУ для того, чтобы измерить параметры испытуемой микросхемы. Автор тоже представил себе эту последовательность и нарисовал временную диаграмму, показанную на следующем рисунке:

Рис.1. Временная диаграмма процесса измерения параметров ОУ. Кликните для увеличения.

На диаграмме над осью времени в синих прямоугольниках показаны различные коммутации в измерительной схеме - подача и изменение напряжений питания, изменение состояний переключателей. Все обозначения и последовательность этих коммутаций соответствуют базовой схеме (Figure 1 и Table 1 в документе Renesas). После каждого переключения выдерживается пауза 800 мс, необходимая для завершения переходных процессов в следящем контуре, а затем производится измерение напряжения V₀₂ на выходе вспомогательного ОУ. Напряжение измеряется путем считывания кода из регистра данных АЦП. Для снижения влияния шумов и помех считывание кода повторяется многократно с последующим усреднением результатов, при этом каждое измерение занимает около 200 мс (зеленый шестиугольник на диаграмме). В итоге, в течение примерно 7-ми секунд выполняются измерения всех необходимых напряжений (V_02a ... V_02f), а затем по приведенным в документе Renesas формулам рассчитываются значения параметров испытуемого ОУ.

Такая временная диаграмма логично следует из методики измерений, описанной в основополагающих документах. Однако, во время первых же попыток измерения параметров ОУ в соответствии с этой временной диаграммой, очень быстро выяснилось, что получаемые таким способом результаты оказываются весьма далекими от истины.

Причины этого, если говорить вкратце, кроются в зависимости параметров испытуемого ОУ от температуры, а более детально мы опишем их в трех небольших разъяснениях, спрятанных под спойлерами ниже на этой странице. Чтение этих разъяснений не является обязательным, но будет полезно тем нашим читателям, которые захотят подробнее познакомиться с методикой измерений, использованной автором в Тестере ОУ.

Отметим только, что те источники информации, на которые мы тут уже неоднократно ссылались в качестве основополагающих, не упоминают ровным счетом ничего о влиянии температуры кристалла ОУ на результаты измерений, поэтому разбираться с этим автору пришлось самостоятельно.

Разъяснение 1. Самопрогрев испытуемого ОУ

Самопрогрев ОУ - это процесс изменения температуры кристалла микросхемы из-за рассеивания мощности при подаче питания. Как и положено любому физическому телу, на которое воздействует источник тепла, кристалл нагревается в соответствии с логарифмической кривой - в начальный момент времени разница между температурой кристалла и источником тепла максимальна, поэтому он нагревается очень быстро, По мере нагрева разница температур уменьшается, скорость нагрева падает, и график плавно приближается к горизонтальной линии. При постоянном притоке тепла через некоторое время устанавливается стабильный температурный режим при котором теплоотдача от корпуса микросхемы в окружающую среду становится равной этому притоку и температура кристалла более не меняется.

Попробуем оценить, каких значений может достигать температура кристалла у наиболее распространенных типов ОУ при измерении их параметров в нашем приборе. Ток потребления ОУ обычно лежит в диапазоне 1...5 мА, а их испытания производятся при напряжении питания ±12В. Таким образом, потребляемая мощность составляет 24...120 мВт или 0,024...0,12 Вт. В документации ОУ можно найти значение теплового сопротивления кристалл-окружающая среда, которое для микросхем в корпусе DIP обычно находится в пределах 90...120 °С/Вт, а для микросхем в корпусе SOIC - 120...200 °С/Вт. Перемножая значения мощности на тепловое сопротивление, получим, что в процессе измерения параметров в тестере ОУ максимальное повышение температуры кристалла по отношению к температуре окружающей среды может достигать 15 °С для корпусов DIP и 24 °С для корпусов SOIC.

Время, в течение которого происходит повышение температуры и устанавливается стабильный тепловой режим, оценить несколько сложнее - производители ОУ не дают никаких ориентиров на этот счет. Автор провел серию измерений, которые показали, что для большинства ОУ значения зависимых от температуры параметров (в первую очередь, напряжения смещения - V_os) перестают изменяться примерно через 30-40 секунд после включения питания, что свидетельствует об установлении стабильного теплового режима кристалла.

Рис. 2. Температурный дрейф напряжения смещения ОУ

На рисунке 2 показан график зависимости напряжения смещения одного экземпляра ОУ LF353 в корпусе DIP-8 от времени (первые 10 секунд после подачи напряжения питания). Видно, что наибольший рост температуры и, соответственно, рост напряжения смещения происходит в основном в первые 3-4 секунды.

Разъяснение 2. Дрейф напряжения смещения

Многие производители ОУ указывают в документации выпускаемых ими микросхем такой параметр, как дрейф напряжения смещения (Input Offset Drift, dV_os/dT). Этот параметр измеряется в мкВ/°С, а его величина зависит от технологии изготовления и схемотехнических особенностей конкретных типов ОУ и может меняться в довольно широких пределах. Для наиболее распространенных типов ОУ он чаще всего лежит в диапазоне 1...40 мкВ/°С.

С учетом описанного в предыдущем пункте процесса самопрогрева получается, что величина напряжения смещения по мере роста температуры кристалла может меняться на сотни микровольт или даже на единицы милливольт. При этом величина дрейфа напряжения смещения может превышать его исходное значение в несколько раз.

Например, берем ОУ в корпусе SOIC с исходным значением напряжения смещения V_os = 0.2 мВ, током потребления 5 мА и с дрейфом напряжения смещения dV_os/dT = 20 мкВ/°С и подаем на него напряжение питания. За первые 30-40 секунд испытаний температура его кристалла поднимется на 24°С, а напряжение смещения вырастет на 0.48 мВ, то-есть станет равным 0,68 мВ, что почти в 3.5 раза больше его исходного значения на "холодном" кристалле.

Разъяснение 3. Влияния дрейфа Vos на результаты измерений

Теперь, вооружившись знаниями о тепловых процессах, происходящих в испытуемой микросхеме, попробуем более внимательно посмотреть на формулы, используемые для вычисления параметров ОУ по результатам измерений.

Вот формула из документа Renesas [3], используемая для вычисления напряжение смещения испытуемого ОУ:

 V_os = -V_02a/G

- напряжение смещения испытуемого ОУ равно напряжению на выходе вспомогательного ОУ, деленному на коэффициент обратной связи. В нашем случае G=1000, поэтому V_os в милливольтах численно равно V_02a в вольтах (со знаком минус). Например, если, измерив V_02a, мы получили значение 4 В, то напряжение смещения испытуемого ОУ равно -4 мВ.

Это измерение задает начальную рабочую точку следящего контура, а во всех последующих измерениях нас по сути дела интересует не абсолютная величина напряжения на выходе вспомогательного ОУ, а его отклонение от ранее измеренного V_02a. Именно поэтому в формулы для вычисления всех остальных параметров входят разности (V_02b - V_02a), (V_02c - V_02a) и так далее, например:

 I_b- = 1/R_b * (V_02b - V_02a)/G
 A_OL = -G / (V_02d - V_02a)
 PSRR = G / (V_02f - V_02a) и так далее...

Как мы видим, везде при вычислениях параметров испытуемого ОУ используется не собственно величина измеренного напряжения V_02b, V_02d и так далее, а именно его отклонение от начальной рабочей точки, заданной величиной V_02a.

Вернемся к диаграмме рис. 1 и посмотрим, как все эти измерения и вычисления происходят во времени с учетом процессов самопрогрева и дрейфа напряжения смещения ОУ, обсуждавшихся выше.

В момент времени, обозначенный 0.0, на испытуемую микросхему подается питание, и начинается нагрев ее кристалла под действием потребляемого ОУ тока. Первую секунду после подачи питания занимает пауза длительностью 800 мс, необходимая для завершения переходных процессов в следящем контуре, а также измерение тока потребления. Затем в начале второй секунды измеряется напряжение V_02a , по которому определяется напряжение смещения ОУ. После этого в течение примерно 6-ти секунд производятся различные коммутации в измерительной схеме и последовательно измеряются напряжения V_02b, V_02с, V_02d и так далее.

При этом продолжается самопрогрев микросхемы и, как мы выяснили выше, дрейф напряжения смещения. То-есть к моменту, когда мы будем измерять, например, напряжение V_02d (начало пятой секунды), напряжение смещения будет уже значительно отличаться от того, которое мы измерили в начале второй секунды. Следовательно, при вычислении параметра A_OL совершенно бессмысленно вычитать V_02a, измеренное на второй секунде после включения питания, из значения V_02d, измеренного на пятой. Нас ведь интересует отклонение напряжений V_02b, V_02с, V_02d и так далее от напряжения V_02a, произошедшие в результате коммутаций в измерительной схеме, а мы вместо этого получаем отклонение этих напряжений, вызванные в большей степени самопрогревом кристалла и температурным дрейфом напряжения смещения. Причем, эти "температурные" отклонения могут в несколько раз превышать по величине "полезные" отклонения, которые мы стремимся измерить с максимальной точностью.

Как же измерять параметры ОУ правильно?

Читатели, ознакомившиеся с разъяснениями выше, очевидно, уже поняли, что самый простой способ исключить вредное влияние самопрогрева кристалла и вызванного им дрейфа напряжения смещения на результаты измерений, это измерить все напряжения V_02a...V_02f одномоментно, при одной и той же температуре кристалла. Однако, это, к сожалению, невозможно. После каждого из переключений в измерительной схеме необходимо ждать завершения переходных процессов в следящем контуре, а кроме того само измерение с многократным считыванием кода из АЦП тоже занимает заметное время, в результате получать значения выходного напряжения вспомогательного ОУ с необходимой точностью чаще чем 1 раз в секунду вряд ли получится.

Необходимо искать какие-то другие способы избежать погрешностей измерений, вызванных самопрогревом кристалла, и таких способов можно предложить, как минимум, два:

После подачи питания на испытуемый ОУ сделать паузу 30 (а еще лучше, 40-50) секунд, дождавшись, пока стабилизируется тепловой режим микросхемы и дрейф напряжения смещения полностью прекратится. После этого можно будет последовательно измерить все напряжения V_02a...V_02f таким же образом, как это показано на рис. 1, но в этом случае все измерения будут выполнены при одинаковой температуре кристалла и отклонения напряжений V_02b...V_02f от напряжения V_02a будут исключительно результатом коммутаций в измерительной схеме, а не температурного дрейфа.
Измерять напряжения V_02a...V_02f сразу же после подачи питания, не дожидаясь установления стабильного температурного режима, но усложнить временную диаграмму, добавив в нее повторные измерения напряжения V_02a после каждого измерения V_02b...V_02f, как показано на рис.3. В этом случае можно будет с приемлемой точностью вычислить, какова была величина напряжения V_02a в тот момент времени, когда измерялось каждое из напряжений V_02b...V_02f и подставлять в формулы для вычисления параметров ОУ соответствующие значения. Для этого во всех вычислениях следует использовать вместо V_02a среднее арифметическое предыдущего значения V_02a, измеренного примерно за 1 секунду до одного из V_02b...V_02f, и следующего значения V_02a, измеренного на 1 секунду позже.

Первый из этих способов проще в реализации и соответствует реальным условиям эксплуатации ОУ, когда питание на него подано постоянно, процесс самопрогрева завершился и температура кристалла стабилизировалась. Однако измерение параметров одной микросхемы будет в этом случае занимать около минуты, что, по мнению автора, недопустимо долго. Пользователь, привыкший к тому, что современные измерительные приборы, включая тестеры компонентов, выдают результат в считанные доли секунды, просто не дождется окончания теста, особенно, если ему надо проверить десяток-другой имеющихся у него микросхем и выбрать из них одну с определенными параметрами.

Второй способ несколько менее точен, поскольку параметры ОУ измеряются в процессе изменения температуры кристалла, но позволяет получить результат тестирования значительно быстрее.

В итоге, после множества экспериментов было принято решение совместить оба способа, но не дожидаться полного завершения самопрогрева, как в способе 1, а после подачи питания на тестируемый ОУ сделать небольшую паузу длительностью 3-4 секунды до начала измерений, а затем производить измерения в соответствии со способом 2. Как уже говорилось, скорость нагрева максимальна в первые секунды после подачи питания, поэтому даже небольшая начальная пауза позволяет пропустить самые резкие изменения параметров и далее проводить измерения на пологом участке кривой, когда температурный дрейф V_os уже не вносит таких существенных погрешностей.

С учетом этих соображений временная диаграмма работы тестера ОУ приобретает вид, показанный на следующем рисунке.

Рис.3. Уточненная временная диаграмма процесса измерения параметров ОУ. Кликните для увеличения.

В начальный момент времени включается питание испытуемого ОУ и после короткой паузы длительностью 400 мс выполняется первое измерение выходного напряжения вспомогательного ОУ V_02a. Для чего нужно это измерение читатель узнает немного позже, в следующем разделе на этой странице, пока же оставим его без внимания. Сразу после него измеряется ток потребления испытуемой микросхемы, который не слишком сильно зависит от температуры кристалла, а потому измерять его можно практически в любое время. Эти два измерения вместе с начальной паузой занимают около одной секунды и сразу же после них делается еще одна пауза длительностью в 3 с.

Далее, начиная с 5-ой секунды, производится последовательное измерение напряжений V_02a...V_02f, причем измерение V_02a повторяется после каждого из остальных напряжений. Между изменением состояний переключателей и соответствующим измерением каждый раз делается пауза длительностью 800 мс, необходимая для завершения переходных процессов в следящем контуре.

При вычислении параметров испытуемого ОУ в формулах используется среднее арифметическое двух соседних измерений V_02a - одного сделанного до измерения напряжения V_02b...V_02f и другого, сделанного после. Например, формула для вычисления коэффициента усиления по напряжению A_OL при таком способе измерений выглядит следующим образом:

  A_OL = -G / (V_02d - V_{02a_avg})
где
  V_{02a_avg} = (V_{02a_prev} + V_{02a_next}) / 2

Здесь V_{02a_prev} и V_{02a_next} - значения V_02a, измеренные на секунду раньше и на секунду позже V_02d, а V_{02a_avg} - их среднее арифметическое.

Весь процесс тестирования ОУ при таком способе измерений занимает около 15 секунд, что не очень быстро, но все же гораздо быстрее, чем если бы мы перед началом измерений выдерживали паузу 30-50 секунд до полной стабилизации температурного режима и прекращения температурного дрейфа.

Измерение дрейфа напряжения смещения ОУ

В процессе экспериментов с методикой и временной диаграммой измерений автор пришел к выводу, что кроме шести основных параметров ОУ, вычисляемых в соответствии с документом Renesas, а также добавленного к ним измерения потребляемого тока, тестер ОУ способен без каких-либо изменений аппаратной части измерять еще один параметр ОУ - дрейф напряжения смещения. Этот параметр, обычно обозначаемый как dV_OS/dT и измеряемый в мкВ/°С уже упоминался в разъяснениях выше на этой странице.

Для его вычисления необходимо знать разность двух напряжений смещения V_os, измеренных при двух различных температурах и разность этих температур. Греть микросхему в термокамере и измерять ее температуру при помощи термодатчиков мы не будем, а воспользуемся косвенным методом определения температуры кристалла. Зная потребляемую микросхемой мощность и тепловое сопротивление кристалл-среда, можно предположить, насколько кристалл нагреется по окончании самопрогрева и установлении стабильного теплового режима.

В качестве двух напряжений смещения используются результаты измерений V_02a, один из которых получен в самом начале теста, через 400 мс после включения питания (рис. 3), а второй - в самом конце. Обозначив результат первого измерения как V_{02a_first} а второго - V_{02a_last}, получим:

dV_OS/dT = (V_{02a_last} - V_{02a_first}) * 1000 / (Pq * Q_JA * 0.6)

где:

dV_OS/dT - дрейф напряжения смещения, мкВ/°С,
V_{02a_first}, V_{02a_last} - напряжения на выходе вспомогательного ОУ в В, измеренные в начале и в конце теста, численно равные напряжению смещения испытуемого ОУ в мВ,
1000 - множитель для перевода мВ в мкВ,
Pq - потребляемая микросхемой мощность, Вт, вычисляется как произведение тока потребления на напряжение питания,
Q_JA - тепловое сопротивление кристалл-окружающая среда, °С/Вт, для всех типов ОУ принято равным 150.
0.6 - экспериментально установленный коэффициент, учитывающий, что измерения делаются не в самом начале (400 мс от начала) и не в самом конце самопрогрева.

Надо понимать, что такой расчет, основанный на некоторых допущениях, дает весьма приблизительные результаты. Если напряжения смещения и потребляемая мощность измеряются тестером ОУ достаточно точно, то две другие составляющие формулы - тепловое сопротивление кристалл-окружающая среда и коэффициент 0.6, подобранный на основе ряда экспериментов, могут вносить существенные погрешности в конечный результат. Тем не менее, решено было включить дрейф напряжения смещения, рассчитанный по такой методике, в число измеряемых параметров, поскольку даже неточный результат дает весьма полезную информацию о температурной стабильности испытуемых ОУ. Например, измерив параметры двух ОУ различных типов и получив для одного из них дрейф напряжения смещения равный 10 мкВ/°С, а для другого - 0.5 мкВ/°С, пользователь будет точно знать, какой из них установить в устройство, требующее повышенной температурной стабильности.

Разобравшись с методикой измерений и с временной диаграммой работы тестера ОУ, переходим к следующей части этой публикации, посвященной его устройству и функциональной схеме.