測試運算放大器的輸入偏置電流

　　在本系列第 1 部分《電路測試主要運算放大器參數(shù)》一文中，我們介紹了一些基本運算放大器測試，例如失調(diào)電壓 (VOS)、共模抑制比 (CMRR)、電源抑制比 (PSSR) 和放大器開環(huán)增益 (Aol)。本文我們將探討輸入偏置電流的兩種測試方法。選擇哪種方法要取決于偏置電流的量級。我們將介紹器件測試過程中需要考慮的各種誤差源。本系列的下篇文章將介紹一款可配置測試電路，其可幫助您完成本文所介紹的所有測量

　　產(chǎn)品說明書通常為運算放大器的非反相輸入與反相輸入(iB+和 iB-)分別提供了一個偏置電流列表。這兩個輸入的區(qū)別就是輸入失調(diào)電流 IOS。在工作臺上，您可能會忍不住使用圖1a中的電路來測試正輸入偏置電流，因為該配置下的放大器很穩(wěn)定，這種方式有效。

　　圖1.使用圖 (a) 中的電路測量運算放大器非反相輸入端的輸入偏置電流。在圖 (b) 中增加一個環(huán)路放大器，可在針對反相輸入端進行測量時保持運算放大器的穩(wěn)定性。圖 (c) 中的電路可測量任何輸入端的偏置電流。繼電器可決定電路配置。

　　可惜，在測量負輸入偏置電流時，沒有保持放大器穩(wěn)定性的簡單方法。然而，可增加一個環(huán)路放大器保持被測試器件的穩(wěn)定性，這樣可使用靜電計測量偏置電流，如圖1b中的電路所示。這個電路就是在第 1 部分中我們用來測試 VOS的雙放大器測試環(huán)路，但有一個不同的連接。

　　我們將兩個放大器的輸入顛倒過來，以保持被測試器件的穩(wěn)定性。雖然這種方法對工作臺測試很管用，但靜電計的速度太慢，不適合用于高速生產(chǎn)測試。我們在生產(chǎn)測試中使用的方法是 VOS測試的修改方案。為了測試輸入偏置電流 (IB)，我們?yōu)殡娐诽砑恿死^電器和電阻器(或電容器)。請見圖1c中的電阻器 RB。

　　為了討論起見，我們使用雙運算放大器測試環(huán)路來描述該測試。不過，本技術(shù)同樣也適合第 1 部分中介紹的兩種測試環(huán)路。我們?yōu)閳D 1c 中被測試器件的每個輸入都添加了一個繼電器和電阻器。

　　在繼電器 K2 和 K3 閉合時，我們可使用第 1 部分介紹的 VOS測量技術(shù)測量和保存 VOUT值。公式1根據(jù) RIN、RF和 VOS定義了 VOUT。

　　公式 1

　　對公式1進行變換后，可得到用于計算 VOS的公式2。

　　公式 2

　　接下來，我們打開 K2，進行另一項測量，得到 VOUT(IB-)。測得的電壓由被測試器件的失調(diào)電壓以及流過電阻器 RB的輸入偏置電流引起，可表示為公式3。

　　公式 3

　　我們現(xiàn)在可求解 iB-，等式兩邊同時除以 (RIN+RF)/RIN，得到公式4。

　　公式 4

　　公式 5

　　然后，在公式4兩邊同時減去被測試器件的失調(diào)電壓，得到公式5。

　　最后，在公式5兩邊同時除以 RB，計算 IB- 的值。

　　公式 6

　　圖2.在測量小于幾百微微安的偏置電流時，應(yīng)在電路中使用電容器，并使用萬用表測量一系列樣片。

　　可使用類似的方法測量 IB+。測量 IB-時，關(guān)閉 K3，打開 K2。測量 IB+時，關(guān)閉 K2，打開 K3。由于我們已經(jīng)測量出運算放大器的 VOS，因此接下來就只是數(shù)學計算了。結(jié)果很容易得出，而且只需一個良好的數(shù)字萬用表 (DMM) 即可。

　　注意，使用電阻器產(chǎn)生電壓差來測量 IB，只對低至幾百微微安的偏置電流有效。我們可針對更低的偏置電流使用另一項測量技術(shù)。

　　對于小于幾百微微安的 IB值，我們使用電容器來替換 RB電阻器。一旦短路繼電器被打開，偏置電流就會使環(huán)路以 IC= C(dV/dt) * 環(huán)路增益的速度結(jié)合。您可通過在已知時間間隔內(nèi)進行測量來計算偏置電流。這種方法可測量小于 1pA 的偏置電流。

　　PCB 布局對于這些真正的低 IB電流來說非常重要。要注意減少雜散電容，因為雜散電容可能會消耗一些 IB電流。PCB 上被測試器件輸入引腳的泄漏也會導致誤差，因此應(yīng)在輸入引腳周圍創(chuàng)建保護環(huán)，并將保護環(huán)連接至接地。這將減少來自高電壓節(jié)點的任何泄漏。從拓撲角度來看，應(yīng)該采用溫度穩(wěn)定的低泄漏電容器替換圖 1c 中的 RB電阻器。

　　采用電容方法需要良好的時鐘。這是因為輸入偏置電流測量不僅需要打開各種電容器(連接在被測試器件的輸入端)間的繼電器，而且還要測量已知間隔的電壓變化。我們可通過在精確確定的時間周期內(nèi)測得的環(huán)路輸出電壓變化來計算輸入偏置電流。

　　當電容器的繼電器在 t0位置打開，輸出便開始根據(jù)偏置電流的極性以正方向或負方向結(jié)合(圖2)。編程的延遲可讓電路穩(wěn)定下來。然后，在 t1位置，DMM 按已知的采樣率進行采樣。接下來在 t2位置，會有另一個延遲。最后，在 t3位置，DMM 會提取更多樣片。

　　保持采樣測量時間不變，這樣就能知道 dt 的值。獲得第二組樣片測量的平均值，并減去第一組樣片測量平均值，便可得到 dV 值或者 dt 時間內(nèi)的電壓變化。我們可通過電容器來計算電流，如：

　　方程式 7

　　方程式 8

　　然后，通過以下方程式計算偏置電流：

　　典型的誤差源

　　如果不討論測量過程中會遇到的誤差源，那么對 VOS測量的討論就不完整。明顯的誤差是那些由 DMM 分辨率以及所選組件(尤其是電阻器)值(噪聲和容差)引起的誤差。更細微的誤差可分為以下三個類型：

　　A. 熱生成電動勢 (emf)，由繼電器接觸引起

　　焊接點

　　板間引腳連接

　　自動測試處理器的接觸點與插槽

　　B.下列因素產(chǎn)生的漏電流：

　　電源

　　繼電器控制和電源線跡

　　PCB 材料的屬性

　　C. 噪聲

　　環(huán)境

　　測試儀

　　組件

　　被測試器件本身

　　這里討論的所有被測試器件配置中的典型誤差源均為熱生成電動勢和漏電流。漏電流主要影響偏置電流測量，而熱生成電動勢則可影響所有低級失調(diào)電壓測量。最大程度減少這些影響是確保系統(tǒng)功能和測量準確度的必要條件。

　　漏電流由表面污染以及經(jīng)過組件或在 PCB 材料中的電阻式路徑導致。表面污染通常可通過徹底清潔電路板來控制，但濕度可能會改變表面漏電流。其它電阻式路徑可由材料的隔離電阻設(shè)置。在電阻式路徑連接電源線或繼電器控制型電源線時，也可能會出現(xiàn)漏電流。使用保護環(huán)以及支持高電平有效驅(qū)動器的閉鎖繼電器，可緩解一部分這類漏電路徑影響。

　　熱電動勢可在繼電器接觸、焊點、板間引腳連接點以及其它所有測試處理器接觸點和插槽中產(chǎn)生。例如，考慮圖 1c 中的雙放大器 VOS測量電路。漏電流不會明顯影響該測量。但該電路無法體現(xiàn)多種熱電動勢來源。

　　圖 3是熱電動勢誤差源，標記為 VT。在室溫下測量時，梯度漸變無異常。但在寒冷或炎熱的環(huán)境下進行測試時，從被測試器件到電阻器和繼電器的熱梯度漸變會很明顯。

　　圖3.熱電動勢誤差(顯示為 VT)可影響測量結(jié)果。

　　本系列的第 3 部分將討論測試板的設(shè)計注意事項。