技术文章:一种直接测量运算放大器输入差分电容的方法

2019-10-29来源: EEWORLD关键字:运算放大器  差分电容

简介

 

输入电容可能会成为高阻抗和高频运算放大器(op amp)应用的一个主要规格。值得注意的是,当光电二极管的结电容较小时,运算放大器的输入电容会成为噪声和带宽问题的主导因素。运算放大器的输入电容和反馈电阻在放大器的响应中产生一个极点,从而影响稳定性并增加较高频率下的噪声增益。因此,稳定性和相位裕量可能会降低,输出噪声可能会增加。实际上,以前的一些CDM(差模电容)测量技术依据的是高阻抗反相电路、稳定性分析以及噪声分析。这些方法可能会非常繁琐。

 

在诸如运算放大器之类的反馈放大器中,总有效输入电容由CDM与负输入共模电容(或对地的CCM–)并联组成。CDM难以测量的原因之一是运算放大器的主要任务是防止两个输入不相关。与测量CDM的难度相比,直接测量对地的正输入共模电容CCM+相对容易一些。在运算放大器的同相引脚上放置一个较大的串联电阻并施加正弦波或噪声源,就可以使用网络分析仪或频谱分析仪来测量由运算放大器输入电容而产生的-3 dB的频率响应。假定CCM+和CCM–相同,特别是对于电压反馈放大器。但是,这些年来,测量CDM变得日益困难;运算放大器的固有特性会迫使其输入相等,从而自举CDM,因此所使用的各种不同的技术都无法令人满意。当输入被强制分开并进行电流测量时,输出将试图进行对抗。-检测CDM的传统方法是间接测量,该方法依赖于相位裕度的降低,且因并联使用CCM–等其他电容而变得更复杂。

 

我们希望待测运算放大器能够像客户平时的用法一样,在闭环条件下正常运行并执行功能。建议的一种可行方法是分离输入并进行输出削波,但是这可能会使内部电路无法工作(取决于运算放大器拓扑),因此实测电容可能无法反映实际工作电容。在这种方法中,不会对输入进行过度分离,以避免输入级的非线性以及过多的输出摆幅或削波。本文将介绍一种简单直接的CDM测量方法。

 

 

图1.直接测量LTspice中的CDM阻抗。绘制V(r)/I(R1)曲线以获得阻抗。在本例中,在1 MHz频率下,-89.996°时Z为19.89437kΩ (10(85.97/20)),利用公式C = 1/(2π × Z × Freq),Z正好为8 pF。

 

测量CDM的新方法

 

作者决定只使用增益为1的缓冲电路,并使用电流源激励输出和反相输入。输出和反相输入将仅在运算放大器允许的范围内变动。在低频下,输出的变动很小,因此通过CDM的电流会很小。而在过高频率下,测试可能会无效,况且结果也没用。但在中频下,运算放大器的增益带宽会下降,但不至于太低,输出变动仍可提供足够大的电压激励和可测量的通过CDM的电流。

 

LTspice®的本底噪声几乎不受限制,因此可以进行简单的测试仿真,如图1所示。当发现该技术在LTspice中相当准确有效后,接下来的问题就是“我可否在现实世界中获得足够的SNR以进行良好的测量?”

 

该相位角几乎等于-90°,这表明阻抗是容性的。2 pF共模电容不会破坏测量,因为CCM–不在路径中,且1/(2 × π × Freq × CCM+) >> 1 Ω。

 

挑战:找到合适的设备和实际测试设置

 

如图1所示,将2 kΩ电阻串联在运算放大器的输出端,以将激励从电压源转换为电流源。这将允许节点“r”中存在小电压(它不会与在运算放大器的同相引脚中所看到的电压相差太远),并将导致小电流流入待测CDM的输入端之间。当然,现在的输出电压很小(由待测器件(DUT)进行缓冲),而且CDM中的电流也很小(在本仿真中为57 nA),因此在工作台上使用1 Ω电阻进行测量将很困难。LTspice.ac和LTspice.tran仿真没有电阻噪声,但现实世界中的1 Ω电阻具有130 pA/√Hz的噪声,从我们预期的57 nA电容电流中只能产生57 nV信号。进一步的仿真表明,用50Ω或1 kΩ代替R1不会导致在目标带宽范围内的频率下流入CCM+的损耗电流过大。为了获得比简单电阻更好的电流测量技术,可使用跨阻放大器(TIA)代替R1。TIA输入会连接到运算放大器的同相引脚,在该引脚上需要电流,同时电压固定为虚地以消除CCM–中的电流。事实上,这正是Keysight/Agilent HP4192A等四端口阻抗分析仪的实现方式。HP4192A可以在5 Hz至13 MHz的频率范围内进行阻抗测量。市场上采用相同阻抗测量技术的一些新设备包括具有10 Hz至120 MHz范围的E4990A阻抗分析仪和具有20 Hz至2 MHz范围的精密LCR表(如Keysight E4980A)。

 

如下面图2测试电路所示,由于阻抗分析仪内部的TIA,运算放大器的同相引脚保持虚地状态。正因如此,CCM+的两个端子都被视为处于地电位,因此不会影响测量。DUT的CDM两端产生的小电流将流经TIA的反馈电阻Rr,然后由内部电压表进行测量。

 

 

图2.CDM测试电路。

 

任何使用自动平衡电桥1阻抗测量方法的四端口设备都是测量CDM的合适选择。它们设计为从内部振荡器产生正弦波,该内部振荡器以零为中心点,具有正负摆幅,可用于双电源供电。如果运算放大器DUT由单电源供电,则应调整偏置功能,以使信号不会发生对地削波。图3中使用了HP4192A,并显示了与DUT的详细连接。

 

 

图3.CDM直接测量方法的测试设置。

 

图4显示了确切的测试设置,以使电路板和连线对CDM的寄生电容贡献极小。任何通用电路板均可用于低速运算放大器,而高速运算放大器则需要更严格的PCB板布局。垂直接地的铜分隔板能确保输入端和输出端看不到与DUT CDM平行的其他场路径。

 

 

图4.HP4192A设置电路板演示。右侧为通过2 kΩ的激励和电压回读。所用DUT是贴于LB2223实验板上的8引脚SO封装的LT1792。TIA位于HP4192A内部的左侧。

 

结果与讨论

 

首先,在测量电路板的板电容时没有使用DUT。图4所示电路板的测量条件是16 fF电容且没有DUT。这是一个相当小的电容,可以忽略不计,因为通常CDM的预期值为几百至几千fF。

 

Most JFET and CMOS input op amps were measurable using this new CDM measurement使用这种新的CDM测量技术,可以测量大多数JFET和CMOS输入型运算放大器。为了说明该方法,以测量低噪声精度JFET运算放大器LT1792为例。下表列出了在一定频率范围内的阻抗(Z)、相位角(θ)、电抗XS和CDM的计算值。当相位角为-90°时,阻抗表现为纯容性。

 

表1.电源为±15 V时,LT1792在不同频率下的阻抗测量

频率

Z (kΩ)

θ

XS(kΩ)

CS = CDM =

 

1/(2 × π × XS × Freq) (pF)

500 kHz

33

-89°

-32.9

9.7

600 kHz

27

-90°

-26.9

9.8

700 kHz

22.6





关键字:运算放大器  差分电容 编辑:muyan 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/ic478651.html 本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:涡轮流量计的原理及使用说明
下一篇:智能旋进旋涡气体流量计的主要特点

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利

推荐阅读

从220V高性能精密运算放大器入手,正确了解高压运放的应用
大部分工程师大概没有多少机会应用到高压(60V至100V以上)运算放大器,但实际上在很多应用中由于输入信号性质或输出负载特征的要求,需要运算放大器在高电压范围内工作。这类应用包括喷墨打印机和3D打印机中的压电驱动器、超声波变送器及其他医疗器械、ATE驱动器和电场源等。 以业界首款220V高性能精密运算放大器ADHV4702-1为例,这款ADI公司推出的放大器可以帮助工程师解决多个设计难题,用于多种不同应用,例如自动化测试设备、生命科学和医疗保健等:在自动化测试设备应用中,该器件可用于测量高压侧的电流,以及生成精准的高压电源;在生命科学领域,本产品可以对质谱系统实施精准的高压控制;在医疗应用中,可用于准确控制硅光电
发表于 2019-11-22
从220V高性能精密运算放大器入手,正确了解高压运放的应用
应该如何才能处理振荡运算放大器
鉴于反馈通路中相移(或者称作延迟)引起的诸多问题,我们一直在追求运算放大器的稳定性。通过上周的讨论我们知道,电容性负载稳定性是一个棘手的问题。如果受反馈网络电阻影响的运算放大器输入电容(加上一些杂散电容)形成的相移或者延迟过大,则简易非反相放大器便会不稳定,或者出现大量过冲和振铃。您可以通过减少该节点的杂散电容来获得一定的改善,其可以最小化这种连接的电路板线路面积。使用某个特定的运算放大器时,输入电容(差分电容+共模电容)为固定值—您会受到它的束缚。但是,您可以按比例减小反馈网络的电阻值,以保持增益不变。这样可将该电容所产生的极点频率移至更高频率,并减小延迟时间常量。本例中,我们将电阻减小至 5kΩ 和 10kΩ,获得了
发表于 2019-11-18
应该如何才能处理振荡运算放大器
技术文章—基本运算放大器配置
目标: 在本实验中,我们将介绍一种有源电路——运算放大器(op amp),其某些特性(高输入电阻、低输出电阻和大差分增益)使它成为近乎理想的放大器,并且是很多电路应用中的有用构建模块。在本实验中,你将了解有源电路的直流偏置,并探索若干基本功能运算放大器电路。我们还将利用此实验继续发展使用实验室硬件的技能。 材料: ADALM1000硬件模块 无焊试验板和跳线套件 一个1 kΩ电阻 三个4.7 kΩ电阻 两个10 kΩ电阻 一个20 kΩ电阻 两个AD8541 器件(CMOS轨到轨放大器) 两个0.1 μΩ电容
发表于 2019-11-06
技术文章—基本运算放大器配置
精密运算放大器助力工业电子控制精度
是运算放大器。这类要求的一个例子如下所示,解析器电路可用于工业机器人手臂等应用。(图1)在这个例子中,信号传递给运算放大器,从而驱动解析器旋转工业机器人的手臂。图1精确运动、旋转度或直线运动测量不仅要求精密,而且要求时间和温度的一致性。无论世界各地的工厂位置,由过程控制器发起的输入在所有极端环境都产生相同的运动很重要。同样重要的是,从交付的第一天起就有一致的移动,并在整个10多年的工业生命周期中提供一致的运动。安森美半导体提供两种精密运算放大器NCS21911和NCV21911,是极佳的选择,能在宽温度范围(-40℃至125 ℃)满足精确性能的要求,并在工业市场所需的多年运行中保持这种性能。精密输入偏置电压和精密输入偏置电压随温度漂移
发表于 2019-10-28
精密运算放大器助力工业电子控制精度
TI OPA855 8-GHz运算放大器贸泽开售
专注于引入新品的全球电子元器件授权分销商贸泽电子 (Mouser Electronics) 即日起备货Texas Instruments (TI) 的OPA855非完全补偿放大器。该款双极性输入的宽带低噪声运算放大器非常适合配置为高带宽跨阻放大器和电压放大器,其8GHz增益带宽积 (GBWP) 可以在维持较高闭环带宽的前提下实现高增益配置。不仅如此,OPA855的输入噪声仅为0.98nV/√Hz,能够尽可能降低来自于放大器的噪声影响,同时其压摆率达2750 V/μs,可实现更宽的电压摆幅。 贸泽备货的Texas Instruments OPA855在用
发表于 2019-09-16
TI OPA855 8-GHz运算放大器贸泽开售
单电容式及差分电容式MEMS传感器检测系统
电容式传感器工作原理 电容式传感器分单电容式和差分电容式二种。如图1所示。 图1 单电容式和差分电容式传感器 (a) 单电容传感器 (b) 差分电容传感器 图1(a)为两平行板组成的电容器,图1(b)为两平行板中间插入极板组成的差分电容传感。对图1(a)而言,当忽略电容器的边界效应时: 电容器的电容量为: 式中A为电容器的极板面积,d为极板的距离,er、e0为介电常数。 电容传感器中的变间隙式电容传感器的C-d特性如图2所示。 图2 变间隙式电容传感器的C-d特性曲线图 单电容传感器的一个极板固定,称为静极板,另一极板与被测物体连接为动极板。差分电容传感器的上下极板均固定,称为静极板,中间极板为动极板。当被测物体移动时动极板
发表于 2012-11-17
小广播
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2019 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved