Способ автоматизированного измерения максимальной скорости нарастания выходного напряжения операционного усилителя

Заонегин А. А., Светлов А. ВТрундов А. В. СПОСОБ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ИЗМЕРЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ НАРАСТАНИЯ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

При входном контроле операционных усилителей (ОУ) необходимо выполнить измерения более десятка параметров с использованием различных схем измерения, что требует больших аппаратных и временных затрат. С целью повышения производительности труда на входном контроле ОУ, необходимо автоматизировать процедуры измерения параметров ОУ.

К числу основных параметров ОУ, определяющих его динамические свойства, относится максимальная скорость нарастания выходного напряжения ОУ.

Метод измерения максимальной скорости нарастания выходного напряжения ОУ установлен ГОСТ 23089.10-83 и основан на определении отношения разности напряжений между уровнями 0,1 и 0,9 выходного напряжения ОУ ко времени его нарастания (£ ) . Измерение £ проводят на фронте выходного импульса ОУ при подаче на

вход его прямоугольного импульса [1].

Стоит отметить, что метод, предлагаемый государственным стандартом, не нормирует измерения скорости спада выходного напряжения ОУ. Однако реальные ОУ зачастую имеют различную скорость нарастания и спада выходного напряжения. Таким образом, практическая реализация должна быть дополнена, для того чтобы более полноценно отразить динамику работы ОУ.

Предлагается способ автоматизированного измерения максимальной скорости нарастания и спада выходного напряжения ОУ. При разработке данного способа авторы с одной стороны придерживались требований метода, оговоренного ГОСТ, а с другой учитывали возможность реализации предлагаемого способа в рамках создания многофункционального, аппаратно-программного измерительного комплекса для измерения всех основных параметров ОУ.

Фактически, задача сводится к определению длительности интервала времени, в течение которого выходное напряжение ОУ изменяется в установленных стандартом пределах, то есть для того чтобы измерить максимальные скорости нарастания и спада выходного напряжения ОУ необходимо выделить интервал времени, в течение которого происходит заданное нарастание (спад) выходного напряжения, и затем преобразовать его длительность в пропорциональное выходное напряжение, которое и передается на вход АЦП. Тем самым, выходное напряжение схемы зависит от скорости нарастания (спада) выходного напряжения ОУ.

Структурная схема измерителя представлена на рисунке 1, функциональная схема - на рисунке 2.

На вход АЦП

Г - генератор прямоугольных импульсов; ОУ - проверяемый операционный усилитель; ДН - делитель напряжения; КН1, КН2 - компараторы напряжения; ЛЭ - логический элемент; К - коммутатор; ИСЗН1, ИСЗН2 -измерители среднего значения напряжения; ПН1, ПН2 -повторители напряжения (буферы).

Рисунок 1 - Структурная схема измерителя скорости нарастания и спада выходного напряжения ОУ

|-----0 +5В

На вход АЦП

Рисунок 2 - Функциональная схема измерителя скорости нарастания и спада выходного напряжения ОУ

ОУ включен по схеме неинвертирующего усилителя, коэффициент усиления Ку = 2 (К1 = Я2).

Генератор прямоугольных импульсов должен генерировать сигнал, удовлетворяющий требованиям, изложенным в [1]:

длительность фронта импульса

должна удовлетворять условию:

г < —; 1 3

длительность импульсов (г2) должна удовлетворять условию:

частота следования импульсов (/) должна удовлетворять условию:

/ < Т~ •

2г2

Амплитуда импульсов входного напряжения должна обеспечивать получение на выходе ОУ заданных выходных напряжений обеих полярностей, не выводя ОУ из линейного режима работы.

Диапазон, в котором находятся скорости нарастания выходного напряжения ОУ широкого применения отечественного производства, находится в пределах от 5 до 50 В/мкс. Выбранная амплитуда входного сигнала ОУ

равна ±5В. Минимальное и максимальное время нарастания выходного напряжения ОУ, равны:

0,16

мкс, . Ьи

1,6 мкс,

Отсюда, генератор прямоугольных импульсов должен генерировать сигнал, с размахом ±5В, длительностью фронта импульса т < 53 нс , длительностью импульса > 8 мкс , с частотой следования импульсов / < 62,5 кГц для нижней границы скорости нарастания.

Сигнал с генератора прямоугольных импульсов подается на вход ОУ. Выходное напряжение ОУ необходимо привести в диапазон входных напряжений компараторов напряжения (±5В). Для этих целей достаточно использовать резистивный делитель напряжения. Скорость нарастания и спада напряжения изменяется пропорционально коэффициенту делителя - масштабируется. Коэффициент резистивного делителя равен Ку .

Два компаратора напряжения необходимы для того, чтобы выделить моменты времени, когда уровень входного напряжения компаратора составляет 0,1^ и 0,9^ ОУ. Уровни, с которыми осуществляется сравнение, задаются делителем напряжения, подключенным к шине питания +5В.

Сравнение проводится на положительном полупериоде выходного сигнала делителя напряжения (рисунок 3а, б) .

б) - входной сигнал компараторов напряжения, выходной сигнал с делителя;

в) - выходной сигнал управляемого коммутатора;

Рисунок 3 - Временные диаграммы напряжений

Периоды, в течение которых происходит нарастание и спад выходного напряжения, соответствуют интервалам, на которых выходные напряжения компараторов не совпадают (участки Ан и А1С ). Для того чтобы выделить эти участки, сигнал передается на вход логического элемента - «исключающее или». Тогда выходной сигнал логического элемента представляет собой последовательность импульсов, длительность которых равна времени нарастания и спада выходного напряжения ОУ.

Для того чтобы выделить длительности нарастания и спада выходного напряжения ОУ, выходной сигнал логического элемента передается на управляемый коммутатор. В качестве сигнала управления используется сигнал с генератора прямоугольных импульсов.

Коммутатор осуществляет переключение двух каналов, один из которых нормально замкнут, а второй -разомкнут (рисунок 3в) . Тем самым осуществляется разделение сигналов, отражающих длительность нарастания и спада выходного напряжения ОУ.

Далее разделенные сигналы передаются на устройство, преобразующее длительность импульсов, поступающих с коммутатора в постоянное напряжение. Его принцип действия основывается на способе демодуляции сигналов широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Преобразующее устройство осуществляет интегрирование входного сигнала, изменяющегося с частотой, много большей частоты среза устройства преобразования. Тем самым осуществляется выделение постоянной составляющей сигнала ШИМ, то есть на выходе преобразователя устанавливается постоянное напряжение, равное среднему значению напряжения сигнала ШИМ [2]. Величина среднего значения пропорциональна скважности входного сигнала преобразующего устройства.

Измеритель среднего значения напряжения представляет собой активный фильтр нижних частот (ФНЧ), который преобразует длительность импульсов в выходное напряжение (и^^ФНЧ) дит в допустимый диапазон входных напряжений АЦП.

размах значении которого вхо-

Л,

Л • т

Л тах, вх ФНЧ ти

длительность импульса на выходе логического элемента;

Л

максимальное входное

напряжение ФНЧ.

Таким образом, измерив жения ОУ:

0,8 -П,

=-

Л„

можно рассчитать максимальную скорость нарастания выходного напря-

тах, вых ОУ 0 § Лтах, вых ОУ Лтах, вх ФНЧ

т,

Т •Л

где

Л

тах, вых ОУ

максимальное выходное напряжение ОУ.

Ввиду того, что максимальное выходное напряжение ОУ больше максимального выходного напряжения логического элемента, подаваемого на вход ФНЧ, в Ку раз, то:

С

нар тт

Т

ивы

= 1,6 •-

и

тах, вх ОУ

т •и.

Далее сигнал с каждого ФНЧ поступает на повторитель напряжения, осуществляющего развязку ФНЧ с входом АЦП.

Для исследования зависимости изменения выходного напряжения схемы измерения от скорости нарастания и спада выходного напряжения ОУ, было проведено моделирование работы схемы в системе OrCAD [3].

Для представления исследуемого ОУ использовалась макромодель ОУ, предложенная в [4]. Макромодель обеспечивает скорость нарастания выходного напряжения ОУ отличную от скорости спада. Выбрана скорость нарастания выходного напряжения равная 32 В/мкс, скорость спада - 4 5 В/мкс. На вход ОУ, подан сигнал генератора прямоугольных импульсов частотой 3 0 0кГц, скважностью 2, размахом напряжения равным ±5В. Согласно формулы (2), выходные напряжения ФНЧ, без учета неидеальности используемых компонентов, будут равны:

ивьх ФНЧ (нарастание) ~ 0,375 (В}

и

вых ФНЧ

- 0,267 (В}

Результаты моделирования представлены на рисунке 4.

напряжение узла 14 отражает напряжение, соответствующее максимальной скорости нарастания выходного напряжения ОУ;

напряжение узла 17 отражает напряжение, соответствующее максимальной скорости спада выходного напряжения ОУ.

Рисунок 4 - Результат моделирования схемы

По результатам моделирования получены следующие данные

Моделирование Теоретическое Погрешность

ивых ФНЧ (нарастание) ' мВ 384 375 оР 4 2 н

ивых ФНЧ (спад) ' мВ 275 267 оР т Н

Для построения по результатам моделирования зависимости напряжения на выходе схемы измерения от скоростей нарастания и спада выходного сигнала ОУ, выходной сигнал ОУ был заменен сигналом от функционального генератора импульсов с варьируемой длительностью фронтов. Схемы измерения скоростей нарастания и спада выходного напряжения ОУ аналогичны, поэтому достаточно провести моделирование лишь одного канала схемы. По результатам моделирования составлен график зависимости выходного напряжения схемы измерения от скорости изменения выходного напряжения ОУ в диапазоне от 5 В/мкс до 50 В/мкс, с шагом 5 В/мкс на частоте 50кГц (рисунок 5) .

Рисунок 5. Зависимость выходного напряжения схемы измерения от скорости нарастания выходного напряжения

Полученные результаты показывают хорошую сходимость результатов моделирования и расчета схемы, что подтверждает возможность практического применения предложенного способа.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ 23089.10-83 Микросхемы интегральные. Метод измерения максимальной скорости и времени нарастания выходного напряжения операционных усилителей.

2. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство./У. Титце, К. Шенк. Пер. с нем. - М.: Мир,

1982. - 512 с., ил.

3. Система проектирования OrCAD 9.2./В. Д. Разевиг. - М.: Солон - Р, 2003. - 528 с., ил.

4. Светлов А. В., Трундов А.В., Особенности моделирования измерительных схем на операционных усилителях // Информационно - измерительная техника: Межвуз. сб. науч. тр. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005. - Вып. 29 - С. 91 - 97.