Исследование преобразователя скорости нарастания выходного напряжения операционных усилителей в интервал времени

УДК 621.317.3

М. Ю. Паршуков, Е. В. Сапунов, А. В. Светлов, Д. И. Нефедьев

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ СКОРОСТИ НАРАСТАНИЯ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ В ИНТЕРВАЛ ВРЕМЕНИ1

М. Y. Parshukov, Е. V. Sapunov, А. V. Svetlov, D. I. Nefed'ev

THE INVESTIGATION OF CONVERTER OF OPERATIONAL AMPLIFIERS SLEW RATE TO TIME INTERVAL

Аннотация. Актуальность и цели. Рассмотрен преобразователь скоростей нарастания и спада выходного напряжения операционных усилителей в интервалы времени, построенный на основе быстродействующих компараторов напряжения AD8561. Целью исследования является оценка погрешности преобразования в зависимости от скорости изменения во времени линейно нарастающего и спадающего напряжения. Материалы и методы. Исследование преобразователя выполнено с применением программы схемотехнического моделирования PSpice и макромодели компаратора AD8561, разработанной фирмой Analog Devices. Результаты. Приведены схема включения компараторов и текст задания на моделирование (cir-файл). Определены длительности интервалов времени, полученных при вариации скоростей нарастания и спада линейно изменяющихся напряжений от 1 до 10 В/мкс при амплитуде 3 В. Приведены графики зависимостей относительной погрешности преобразователя от задаваемой скорости нарастания (спада) напряжения. Выводы. Подтверждена возможность применения компараторов напряжения AD8561 для построения преобразователя скоростей нарастания и спада выходного напряжения операционных усилителей в интервалы времени. Получены зависимости относительной погрешности преобразователя от скорости нарастания и спада линейно изменяющегося напряжения, что позволяет устанавливать ограничения по диапазону измеряемых скоростей изменения напряжений во времени.

Abstract. Background. The converter of operational amplifiers slew rate to time interval based on ultrafast comparators AD8561 is considered. The aim of investigation is to evaluation of the conversion error, depending on the rate of change in time linearly rising and falling voltage. Materials and methods. The investigation of converter was executed with use of circuit simulation program PSpice and macromodel of comparator AD8561 developed by Analog Devices Company. Results. Comparators connection and text of task on simulation (cir-file) is given. Durations of time intervals obtained by variation of the rise and fall rates of linearly varying voltage from 1 V/us us 10 V/us at the amplitude of 3 V are determinated. Graphs of the relative error of the converter defined by the slew rate (fall) voltage are given. Conclusions. The possibility of applying comparator AD8561 to construct of converter speeds rise and fall of the output voltage of the operational amplifiers to time intervals is acknowledged. The dependencies of the relative error of converter from the speed of increase and decrease linearly varying voltage, which allows to set limits on a range of measured voltage change speeds in time.

Ключевые слова: операционный усилитель, скорость нарастания выходного напряжения, преобразователь, интервал времени, моделирование, погрешность.

Key words: operational amplifier, slew rate, converter, time interval, simulation, error.

1 Работа поддержана Грантом Российского Фонда фундаментальных исследований (проект № 16-38-00233).

14

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

Введение

Одним из динамических параметров операционных усилителей (ОУ), в обязательном порядке приводимых в паспортных данных, является максимальная скорость нарастания выходного напряжения. Этот параметр должен измеряться в соответствии с требованиями ГОСТ 23089.10-83, но в настоящее время промышленностью не выпускаются средства измерений динамических параметров ОУ. Поэтому актуальна задача разработки многофункциональных аппаратно-программных комплексов для автоматизированного измерения важнейших динамических параметров ОУ, в том числе максимальной скорости нарастания выходного напряжения. При этом необходимо учитывать асимметрию реальных значений максимальных скоростей нарастания и спада выходного напряжения ОУ [1-3]. Например, для обследованной авторами партии отечественных ОУ К544УД2 среднее значение максимальной скорости нарастания выходного напряжения составило 26 В/мкс, а среднее значение максимальной скорости спада - 37 В/мкс. Поэтому разрабатываемые средства измерений динамических параметров ОУ должны определять скорость нарастания и спада выходного напряжения.

1. Цель и методика исследования

В [4-6] показано, что при измерении скорости нарастания (спада) выходного напряжения ОУ целесообразно осуществление следующей последовательности преобразований: скорость нарастания (спада) напряжения - интервал времени - постоянное напряжение - цифровой код. В предлагаемой работе проведено исследование первой и наиболее ответственной процедуры из этой цепочки преобразований, т.е. преобразования скорости нарастания (спада) напряжения в интервал времени с помощью быстродействующих компараторов напряжения AD8561, разработанных и поставляемых на рынок фирмой Analog devices [7].

Целью данного исследования является оценка погрешности преобразования в зависимости от скорости изменения во времени напряжения. Экспериментальная оценка этой погрешности затруднена ввиду отсутствия рабочих мер скорости нарастания (спада) напряжения. Высокоточное формирование линейно изменяющегося напряжения с варьируемой крутизной само по себе является очень сложной задачей. Поэтому исследование проводится путем схемотехнического моделирования блока компараторов с применением программы PSpice пакета OrCAD [8].

Компараторы напряжения AD8561 представляются макромоделью [9], разработанной фирмой Analog devices. Данная макромодель позволяет адекватно представлять динамические свойства компаратора. Макромодель имеет 8 выводов для подключения внешних цепей. В задании на моделирование (cir-файле) выводы макромодели перечисляются в следующем порядке: non-inverting input; inverting input; positive supply; negative supply; Latch; DGND; Q; QNOT.

Задание на моделирование преобразователя скорости нарастания (спада) напряжения в интервал времени составлено в соответствии со схемой, приведенной на рис. 1.

Рис. 1. Схема преобразователя скорости нарастания (спада) напряжения в интервал времени

Задание на моделирование записывается в файл с именем l.cir: 1

V1 1 0 PWL

V2 8 0 0.3

V3 4 0 5

V4 5 0 -5

V5 9 0 2.7

R1 8 2 1K

R2 1 3 1K

R3 3 6 500K

R4 9 12 1K

R5 1 13 1K

R6 13 16 500K

.LIB d:\S\AD8561.lib

X1 3 2 4 5 0 0 6 7 AD8561

X2 13 12 4 5 0 0 16 17 AD8561

.tran 0.0001us 3.0us 0us 0.0001us

.PROBE U

.END

На инвертирующие входы компараторов, представляемых макромоделями X1 и X2, подаются линейно нарастающее либо линейно спадающее напряжения от независимого источника напряжения V1, включенного между узлами 1 и 0. Скорость нарастания и спада этого напряжения vv варьируется от 1 до 10 В/мкс при амплитуде 3 В. В приведенном выше тексте файла 1.cir в качестве примера показано напряжение, линейно нарастающее со скоростью 1 В/мкс от 0 до и(1)макс = 3 В за время 3 мкс. Источниками постоянного напряжения V2 и V5 на неинвертирующие входы компараторов подаются пороговые напряжения 0,1Ц(1)макс = 0,3 В и 0,9и(1)макс = 2,7 В. Эти пороговые напряжения, а также линейно изменяющееся напряжение в узле 1, показаны на верхней временной диаграмме (рис. 2), построенной по результатам моделирования графическим постпроцессором Probe программы PSpice.

О ОД 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0

/ , мкс

Рис. 2. Временные диаграммы, иллюстрирующие преобразование скорости нарастания напряжения в интервал времени

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

На нижней временной диаграмме, приведенной на рис. 2, показана разность напряжений Щ17) и и(7) на инверсных выходах второго и первого компараторов. Интервал времени между срабатываниями компараторов по пороговым уровням 0,1и(1)макс и 0,9и(1)макс пропорционален скорости нарастания линейно изменяющегося напряжения и(1). Процедура регистрации времени срабатывания компараторов иллюстрируется рис. 3 и 4, на которых показаны временные диаграммы фронта и спад импульса, сформированного блоком компараторов. Отсчет моментов времени срабатывания компараторов проводился по уровню логической единицы 2,5 В.

Рис. 3. Временная диаграмма фронта импульса, сформированного блоком компараторов

Рис. 4. Временная диаграмма спада импульса, сформированного блоком компараторов

16

2016,№2

Аналогично проводится моделирование процесса преобразования спада линейно изменяющегося напряжения в интервал времени (рис. 5).

Рис. 5. Временные диаграммы, иллюстрирующие преобразование скорости спада напряжения

в интервал времени

17

2. Результаты исследования

В табл. 1 приведены результаты моделирования преобразователя скорости нарастания (спада) напряжения в интервал времени при вариации скорости Уи от 1 до 10 В/мкс и амплитуде напряжения и(1)макс = 3 В.

Таблица 1

Уи, В/мкс Т, мкс Т расч , мкс Т ф , мкс Т сп , мкс 5т ф , % 5т сп , %

1,0 3,0 2,4 2,404 2,4039 0,17 0,16

2,0 1,5 1,2 1,202 1,2017 0,17 0,14

3,0 1,0 0,8 0,8013 0,8008 0,16 0,10

4,0 0,75 0,6 0,6009 0,5999 0,15 -0,01

5,0 0,6 0,48 0,4807 0,4791 0,15 -0,18

6,0 0,5 0,4 0,4002 0,3983 0,05 -0,44

7,0 0,4286 0,34286 0,3429 0,3405 0,03 -0,70

8,0 0,375 0,3 0,2995 0,2969 -0,15 -1,03

9,0 0,3333 0,2667 0,2659 0,2630 -0,27 -1,36

10,0 0,3 0,24 0,2390 0,2359 -0,40 -1,68

В столбцах таблицы приведены:

- задаваемые значения длительности Т линейно изменяющейся части импульсов на входе компараторов;

- расчетные значения длительности т расч интервала времени, за который входное напряжение изменяется от уровня 0,1и(1)макс до 0,9и(1)макс при нарастании напряжения или, наоборот, при спаде;

- полученные из временных диаграмм фронта и спада импульса, сформированного блоком компараторов, значения интервалов времени Тф и тсп, пропорциональных скорости нарастания и спада линейно изменяющегося напряжения;

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

- значения относительной погрешности преобразователя:

5тф = Тф "Трасч • 100 % ; 5тсп = Тсп ~Трасч • 100 %.

т.

расч

т.

расч

Графики полученных зависимостей относительной погрешности преобразователя от задаваемой скорости нарастания (спада) напряжения приведены на рис. 6 и 7.

Рис. 6. График зависимости погрешности преобразователя от скорости нарастания напряжения

Рис. 7. График зависимости погрешности преобразователя от скорости спада напряжения

18

Как видно из приведенных графиков, в диапазоне скоростей от 1 до 10 В/мкс относительная погрешность преобразователя при измерении скорости нарастания не превышает 0,4 %, а при измерении скорости спада - 1,8 %. Полученную погрешность преобразователя скоростей нарастания и спада выходного напряжения операционных усилителей в интервалы времени можно считать приемлемой, исходя из того, что результирующая погрешность измерения скоростей нарастания и спада выходного напряжения операционных усилителей не должна превышать ±10 % [10].

Подтверждена возможность применения компараторов напряжения ЛБ8561 для построения преобразователя скоростей нарастания и спада выходного напряжения операционных усилителей в интервалы времени. Получены зависимости относительной погрешности преобразователя от скорости нарастания и спада линейно изменяющегося напряжения, что позволяет устанавливать ограничения по диапазону измеряемых скоростей изменения напряжений во времени.

1. Андреев, А. Н. Макромодель операционного усилителя для моделирования измерительных цепей с импульсными сигналами / А. Н. Андреев, В. А. Казаков, А. В. Светлов // Измерительная техника. - 1999. - № 9. - С. 26-29.

2. Автоматизированное измерение максимальной скорости нарастания выходного напряжения операционного усилителя / С. Ю. Байдаров, М. Ю. Паршуков,

A. В. Светлов, И. В. Ханин // Труды Международного симпозиума Надежность и качество. - 2010. - Т. 2. - С. 185-187.

3. Измерение динамических параметров операционных усилителей с применением цифровых формирователей сигналов / М. Ю. Паршуков, А. В. Светлов, В. В. Комаров, Е. В. Сапунов // Труды Международного симпозиума Надежность и качество. - 2013. -Т. 2. - С. 62-65.

4. Аппаратно-программный комплекс для автоматизированного контроля параметров операционных усилителей / С. Ю. Байдаров, М. Ю. Паршуков, А. В. Светлов,

B. В. Комаров // Инженерные, научные и образовательные приложения на базе технологий National Instruments - 2011 : сб. тр. X Междунар. науч.-практ. конф. - М. : ДМК-пресс, 2011. - С. 102-104.

5. Измерители динамических параметров операционных усилителей / М. Ю. Паршуков, А. В. Светлов, В. В. Комаров, Е. В. Сапунов // Труды Международного симпозиума Надежность и качество. - 2014. - Т. 2. - С. 100-102.

6. Структуры автоматизированных измерителей динамических параметров операционных усилителей / М. Ю. Паршуков, А. В. Светлов, В. В. Комаров, Е. В. Сапунов // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 3. - URL: http://www.science-education.ru/117-13125

7. AD8561 Ultrafast 7 ns Single Supply Comparator. - Analog Devices, Inc., 2014. - URL: http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD8561.pdf.

8. Разевиг, В. Д. Система проектирования OrCAD 9.2 / В. Д. Разевиг. - М. : СОЛОН-Р, 2001. - 520 с.

9. AD8561 Spice Model. 2014. - URL: http://www.datasheetlib.com/datasheet/54357/ad8561aru-reel_adi-analog-devices-inc.html?page = 9.

10. ГОСТ 23089.0-78. Микросхемы интегральные. Общие требования при измерении электрических параметров операционных усилителей и компараторов напряжения. - М.,

Заключение

Список литературы

1978.

Паршуков Максим Юрьевич

инженер,

Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: rtech@pnzgu

Parshukov Maksim Jur'evich

engineer,

Penza State University

20

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

Сапунов Евгений Владимирович

инженер,

Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: rtech@pnzgu

Светлов Анатолий Вильевич

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой радиотехники и радиоэлектронных систем, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: rtech@pnzgu

Нефедьев Дмитрий Иванович

доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой информационно-измерительной техники и метрологии,

Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: iit@pnzgu.ru

Sapunov Evgenij Vladimirovich

engineer,

Penza State University

Svetlov Anatolij Vil'evich

doctor oftechnical sciences, professor, head of sub-department of radio engineering and radio electronic systems, Penza State University

Nefed'ev Dmitriy Ivanovich

doctor of technical sciences, associate professor,

head of sub-department

of information and measuring equipment

and metrology,

Penza State University

УДК 621.317.3 Паршуков, М. Ю.

Исследование преобразователя скорости нарастания выходного напряжения операционных усилителей в интервал времени / М. Ю. Паршуков, Е. В. Сапунов, А. В. Светлов, Д. И. Нефедьев // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2016. - № 2 (16). - С. 13-20.