Схема измерения параметров входных и передаточных характеристик операционных усилителей и компараторов напряжения

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и предназначена для измерений входных токов, разности входных токов, напряжения смещения нуля и коэффициента усиления интегральных микросхем операционных усилителей и компараторов напряжения.
Для измерений перечисленных параметров применяются специальные методы, описанные в стандартах Микросхемы интегральные. Методы измерений электрических параметров операционных усилителей. ГОСТ 23089.1-83, 23089.3-83 и 23089.4-83 [1], которые предусматривают применение схемы измерений, построенной в виде замкнутой петли отрицательной обратной связи, в которую кроме проверяемого операционного усилителя или компаратора напряжения включено вспомогательное устройство балансировки, выходные сигналы которого поступают на входы проверяемого устройства через делитель напряжения с большим коэффициентом.
Использование отрицательной обратной связи в схеме измерений дает возможность автоматического установления проверяемого устройства в требуемые состояния. Применение делителя напряжения с выхода вспомогательного устройства балансировки позволяет контролировать электрические сигналы на входах проверяемого устройства, имеющие малые величины и разности величин, в масштабе большого увеличения. Все это повышает точность измерений.
Однако наличие обратной связи приводит к недостатку данной схемы. Он в наибольшей степени проявляется при измерении параметров операционных усилителей с широкой частотной полосой и быстродействующих компараторов напряжения или при большой длине обратных связей, например, при проведении дистанционных измерений. В этих случаях временные задержки высокочастотных составляющих распространяемых в петле сигналов по величине могут приблизиться к значениям периодов колебаний этих составляющих, что равносильно сдвигу по фазе, меняющему принцип действия обратной связи с отрицательного в положительный, и вместо установления баланса в схеме возбуждаются автоколебания.
В практике применения методов по ГОСТ 23089.1-83, 23089.3-83 и 23089.4-83 устранить автоколебания зачастую позволяет добавление в схему измерений демпфирующего конденсатора между инвертирующим входом и выходом вспомогательного устройства балансировки, например, как описано в спецификации ф. ROHM semiconductor 'Comparators: Low Voltage BU7251G, BU7251GS, BU7231G, BU7231GS, BU7252F/FVM, BU7252S F/FVM, BU7232F/FVM, BU7232S F/FVM', No. 09049EAT06. 2009, p.12, Fig.90 [2]. По технической сущности и достигаемому эффекту данное устройство наиболее близко к заявляемой полезной модели.
Положительный эффект от включения демпфирующего конденсатора достигается благодаря тому, что вместе с содержащимися в измерительной схеме резисторами делителя напряжения, включенного между выходом проверяемого устройства и соответствующим входом вспомогательного устройства балансировки, он образует фильтр, срезающий высокочастотные составляющие распространяемых в петле сигналов. Частота среза тем ниже, чем больше величины сопротивлений и емкости компонентов такого фильтра.
Тем не менее, чрезмерное увеличение емкости демпфирующего конденсатора недопустимо замедляет процессы установки баланса и релаксации возбуждений, вызываемых действием внешних помех. С этой точки зрения лучше увеличить сопротивления резисторов делителя напряжения, что и сделано в ближайшем аналоге.
Однако входной ток вспомогательного устройства балансировки, протекая в резисторах с большим сопротивлением, создает падение напряжения, вызывающее отклонение напряжения на выходе проверяемого устройства от устанавливаемого уровня.
Технический результат полезной модели заключается в повышении точности установки требуемых для измерений уровней напряжения на выходе проверяемого операционного усилителя или компаратора напряжения в условиях, необходимых для предотвращения возбуждения измерительной схемы.
Технический результат достигается тем, что в схеме измерения параметров входных и передаточных характеристик операционных усилителей и компараторов напряжения, содержащей источник постоянного напряжения, первый вывод которого через последовательно подключенные первый и второй резисторы делителя напряжения подключен к выходу проверяемого операционного усилителя или компаратора напряжения, второй источник постоянного напряжения, вспомогательное устройство балансировки, инвертирующий вход которого подключен к общему узлу первого и второго резисторов делителя напряжения и через демпфирующий конденсатор соединен с выходом вспомогательного устройства балансировки, который подключен к первому выводу измерителя постоянного напряжения и соединен с шиной нулевого потенциала через последовательно соединенные первый и второй резисторы обратной связи, общий узел которых через параллельно подключенные первый токосъемный резистор и первое устройство коммутации соединен с неинвертирующим входом проверяемого операционного усилителя или компаратора напряжения, инвертирующий вход которого через параллельно подключенные второй токосъемный резистор и второе устройство коммутации соединен с первым выводом первого симметрирующего резистора, второй вывод которого и вторые выводы первого, второго источников постоянного напряжения и измерителя постоянного напряжения подключены к шине нулевого потенциала, дополнительно введен второй симметрирующий резистор, выводы которого подключены к неинвертирующему входу вспомогательного устройства балансировки и к первому выводу второго источника постоянного напряжения.
Указанное выполнение схемы измерения параметров входных и передаточных характеристик операционных усилителей и компараторов напряжения позволяет скомпенсировать падение напряжения на резисторах делителя выходного напряжения проверяемого устройства, создаваемого током входа вспомогательного устройства балансировки.
Отличительными признаками полезной модели являются наличие и связи второго симметрирующего резистора.
Полезная модель поясняется чертежом с изображением электрической схемы устройства вместе с обозначенным номером 1 проверяемым операционным усилителем или компаратором напряжения.
Схема измерения параметров входных и передаточных характеристик операционных усилителей и компараторов напряжения содержит первый и второй последовательно соединенные резисторы 2 и 3 делителя напряжения, через которые выход проверяемого устройства 1 соединен с первым выводом первого источника 4 постоянного напряжения, второй источник 5 постоянного напряжения, вспомогательное устройство 6 балансировки, инвертирующий вход которого подключен к общему узлу первого и второго резисторов 2 и 3, а выход подключен к первому выводу измерителя 7 постоянного напряжения и соединен с шиной нулевого потенциала через последовательно соединенные первый и второй резисторы 8 и 9 обратной связи, общий узел которых через параллельно подключенные первый токосъемный резистор 10 и первое устройство 11 коммутации соединен с неинвертирующим входом проверяемого устройства 1, инвертирующий вход которого через параллельно подключенные второй токосъемный резистор 12 и второе устройство 13 коммутации соединен с первым выводом первого симметрирующего оезистора 14, второй вывод которого и вторые выводы первого, второго источников 4, 5 и измерителя 7 постоянного напряжения подключены к шине нулевого потенциала, демпфирующий конденсатор 15, соединяющий выход и инвертирующий вход вспомогательного устройства 6 балансировки, второй симметрирующий резистор 16, выводы которого подключены к неинвертирующему входу вспомогательного устройства 6 балансировки и к первому выводу второго источника 5 постоянного напряжения.
Схема работает следующим образом.
O6
O6
I-NIN
I-NIN
Вспомогательное устройство 6 балансировки представляет собой операционный усилитель, то есть устройство, вырабатывающее вытекающий ток на выходе, когда потенциал на неинвертирующем входе выше, чем на инвертирующем и втекающий выходной ток, когда более высокий потенциал на инвертирующем входе. С приближением разности входных напряжений к нулю величина выходного тока уменьшается и при некотором малом значении разности, называемом напряжением смещения нуля, обнуляется. Напряжение U на выходе устройства 6 формируют и делят пропускающие его выходной ток последовательно соединенные резисторы 8 и 9. Поделенное напряжение U с общего узла резисторов 8 и 9 через резистор 10 или замкнутые контакты устройства 11 коммутации поступает на неинвертирующий вход проверяемого устройства 1. С учетом тока I неинвертирующего входа напряжение U на нем соответствует формулам:
при замкнутых контактах устройства 11 и
при разомкнутых.
I-NIN
В выражениях (1) и (1а) R8, R9 и R10 обозначают сопротивления резисторов 8, 9 и 10, значение тока I положительно, если он втекает в неинвертирующий вход проверяемого устройства 1 и отрицательно, если он течет в обратном направлении.
I-IN
I-IN
Напряжение U на инвертирующем входе проверяемого устройства 1 формируется в результате падения напряжения на резисторах 12 и 14 при протекании в них тока I этого входа.
при замкнутых контактах устройства 13 и
при разомкнутых.
Сопротивление симметрирующего резистора 14 эквивалентно сопротивлению параллельной цепи из резисторов 8 и 9, а токосъемный резистор 12 эквивалентен резистору 10.
I-NIN
I-IN
O
Проверяемое устройство 1 в зависимости от разности входных напряжений U - U формирует свое выходное напряжение U на цепи нагрузки, которая для операционного усилителя представляет собой резистор, соединяющий выход с шиной пулевого потенциала, а для компаратора напряжения - определенную схемную конфигурацию, применяемую для логического выхода соответствующего типа.
O
I-IN6
Напряжение U в преобразованном цепью из резисторов 2, 3 и источника 4 виде напряжения U поступает на инвертирующий вход устройства 6, согласно следующей формуле.
G4
I-IN6
где R2, R3 - сопротивления резисторов 2 и 3, U - напряжение источника 4, I - ток в инвертирующем входе устройства 6.
I-NIN6
G5
Напряжение U на неинвертирующем входе устройства 6 определяет напряжение U источника 5 в соответствии с формулой (5).
I-NIN6
I-IN6
Равенство падения напряжения, создаваемого током I неинвертирующего входа устройства 6 на резисторе 16, падению напряжения на резисторах 2 и 3 от протекания тока I обеспечивает эквивалентность резистора 16 параллельно соединенным резисторам 2 и 3:
I-IN6
I-NIN6
I-IN6
I-NIN6
При достижении баланса входных напряжений U и U, когда величины входных токов I и I устройства 6 тоже сближаются, содержащие их слагаемые в формулах (4) и (5) взаимоисключаются из выражения для разности входных напряжений устройства 6.
O
O6
O
O
Балансировка данной измерительной схемы возможна благодаря наличию в ней петли отрицательной обратной связи. Когда напряжение U на выходе проверяемого устройства 1 оказывается выше требуемого, потенциал на инвертирующем входе устройства 6 становится выше, чем на неинвертирующем. Вызванное этим снижение напряжения U на выходе устройства 6 и пропорциональное ему снижение напряжения на неинвертирующем входе проверяемого устройства 1 приводит к движению выходного напряжения U вниз, пока напряжения на входах устройства 6 не уравняются. Аналогичный процесс в обратном направлении происходит, когда напряжение U оказывается ниже требуемого.
O6
Демпфирующий конденсатор 15 необходим для предотвращения возбуждения автоколебаний в петле обратной связи. Они могут возникнуть, если при нарушении баланса ответное изменение напряжения на инвертирующем входе устройства 6 происходит с задержкой, за время которой его выходное напряжение U успевает измениться настолько, что отклонится от равновесного уровня на еще большую величину в другом направлении, что приводит к разносу колебательного процесса балансировки вместо его затухания.
O6
I-NIN6
I-IN6
Ток перезаряда конденсатора 15 при изменении напряжения U, протекая в резисторах 2 и 3, уменьшает величину разности входных напряжений U - U, тем самым снижая выходной ток устройства 6 и замедляя переходный процесс. Это позволяет исключить разнос выходных напряжений в колебательном процессе установки баланса.
O
Резисторы 2, 3, 16 и источники 4, 5 позволяют получить требуемые значения напряжения U на выходе проверяемого устройства 1, не нарушая ограничений на уровни входных синфазных напряжений для операционного усилителя устройства 6. Эти ограничения обычно обусловлены не только необходимостью выполнения требований к режимным параметрам, но и соображениями по обеспечению точности измерений, сильно зависящей от разброса величины смещения нуля, более стабильной при меньших синфазных напряжениях.
O
G4
G5
Если в формуле (7) левую часть, представляющую разность входных напряжений устройства 6, приравнять нулю, получится уравнение, из которого можно вывести выражение для выходного напряжения U через величины напряжений U и U источников 4 и 5.
Измерение входных токов и разности входных токов в данной схеме осуществляется по методу, установленному ГОСТ 23089.4-83. Установив на выходе устройства 1 напряжение покоя, уровень которого лежит около середины диапазона выходных напряжений устройства 1, во всех комбинациях замкнутых и разомкнутых состояний устройств 11 и 12, измеряют напряжения на выходе устройства 6.
I-NIN
I-IN
O6
X1
I-NIN
I-IN
При замыкании устройств 11 и 12 входные напряжения U и U проверяемого устройства 1 соответствуют выражениям (1) и (2). Измеренное устройством 7 в этих условиях значение напряжения U обозначают как U. Достигаемое балансировкой равенство напряжений U и U позволяет объединить правые части выражений (1) и (2) в уравнении:
X2
Разомкнув устройство 11 при сохранении замкнутого состояния устройства 12, на выходе устройства 6 фиксируют напряжение U, входящее в уравнение, объединяющее выражения (1а) и (2):
I-NIN
X2
X1
Вычитание уравнения (9) из уравнения (10) позволяет получить выражение для входного тока I по неинвертирующему входу через разность напряжений U - U:
O6
X3
В условиях, когда устройство 11 замкнуто, а устройство 13 разомкнуто, установившееся на выходе устройства 6 значение напряжения U сохраняют с обозначением U. Эта переменная входит в уравнение, полученное из выражений (1) и (2а):
I-IN
X1
X3
Разность уравнений (12) и (9) дает выражение для входного тока I по инвертирующему входу через разность напряжений U - U:
O6
X4
Напряжение U при разомкнутых устройствах 11 и 12 под именем U, входит в уравнение из правых частей выражений (1а) и (2а):
I-NIN
I-IN
X4
X1
Вычитание из уравнения (14) уравнения (9) дает выражение для разности входных токов I - I через разность U - U, в котором учтено равенство сопротивлений резисторов 10 и 12:
X3
X2
Сложение формул (11) и (13) позволяет выразить среднее от входных токов через разность напряжений U - U,
IO
IO
X1
Измерение напряжения U смещения нуля производится по методу 1 ГОСТ 23089.3-83. U вычисляется по следующей формуле из величины U измеренного напряжения на выходе устройства 6 в описанных прежде условиях при замкнутых состояниях устройств 11 и 12.
U
Измерение напряжений на выходе вспомогательного устройства 6 балансировки при заданных значениях выходных напряжений проверяемого устройства 1 позволяет определить значение коэффициента A усиления по методу, установленному в ГОСТ 23089.1-83.
1
O6
X1
2
X2
При замкнутых состояниях устройств 11 и 12 с помощью источников 4 и 5 согласно формуле (8) на выходе проверяемого устройства 1 устанавливают напряжение покоя высокого уровня U и с помощью устройства 7 измеряют напряжение U на выходе устройства 6, значение которого фиксируют с обозначением U. После установки на выходе устройства 1 напряжения покоя низкого уровня U, на выходе устройства 6 измеряют напряжение U.
U
Величину коэффициент A усиления вычисляют по формуле:
Таким образом, схема измерения параметров входных и передаточных характеристик операционных усилителей и компараторов напряжения, может выполнять свои функции, не впадая в состояние самовозбуждения, обеспечивая при этом достаточно высокую точность установки требуемых режимов работы проверяемого устройства.