測(cè)試運(yùn)算放大器需要穩(wěn)定的測(cè)試環(huán)路

　　在前幾篇文章中，我們介紹了一些基本測(cè)試技術(shù)以及設(shè)計(jì)和測(cè)試運(yùn)算放大器時(shí)會(huì)出現(xiàn)的誤差源。我們建議您在根據(jù)最后這篇文章介紹的測(cè)試電路知識(shí)及使用進(jìn)行任何設(shè)想之前，先閱讀一下之前的幾篇文章。

　　本文我們將介紹使用推薦測(cè)試電路時(shí)所涉及的補(bǔ)償問題。如果測(cè)試電路中的環(huán)路不穩(wěn)定，那它就沒有用。在測(cè)試過程中要一直監(jiān)控被測(cè)試器件測(cè)試環(huán)路的輸出。如果環(huán)路發(fā)生振蕩，而您不知道，您可能會(huì)報(bào)告不好的結(jié)果。更糟糕的是，您可能很晚才發(fā)現(xiàn)，而此時(shí)糾正該問題已經(jīng)更難了。

　　自測(cè)試補(bǔ)償

　　以最簡(jiǎn)單的形式看，圖1中的自測(cè)試電路實(shí)際上是一款增益為 1201 的閉環(huán)系統(tǒng)。如果將 R1 減小至 5kW，閉環(huán)增益就是 301。因此，它具有固有的穩(wěn)定性，即使采用未經(jīng)補(bǔ)償、不具有單位增益穩(wěn)定性的運(yùn)算放大器也是如此。不過，當(dāng)我們修改環(huán)路用于進(jìn)行 IB測(cè)試時(shí)，該電路會(huì)變得不穩(wěn)定。因此，在配置被測(cè)試器件進(jìn)行 IB測(cè)試時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎行事。您可通過在圖 1 中的電阻器 RF周圍添加一個(gè)補(bǔ)償電容器 (CCOMP) 來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性。

　　圖 1.自測(cè)試環(huán)路電路，用來測(cè)試被測(cè)試放大器隨頻率變化的增益。

　　使用大型電阻器測(cè)試 IB時(shí)，需要為每個(gè) Ib 電阻器布置一個(gè)小電容器，以保持環(huán)路穩(wěn)定(請(qǐng)參考之前的文章)。添加該電容器可降低電阻器噪聲，但要注意在測(cè)量之前要完全充電電容器。

　　雙放大器環(huán)路補(bǔ)償

　　有兩種方法可以補(bǔ)償雙放大器環(huán)路。圖2是第 1 類測(cè)試電路的拓?fù)?，它被認(rèn)為是一種保守的雙放大器環(huán)路補(bǔ)償方案。正確選擇 R1 和 CCOMP將補(bǔ)償環(huán)路。

　　圖 2.環(huán)路放大器的電容器 CCOMP可提供第 1 類補(bǔ)償。

　　圖 3是第 2 類測(cè)試電路拓?fù)?。同樣，正確選擇 CCOMP將補(bǔ)償環(huán)路。

　　圖3.反饋電阻器 RF 的電容器 CCOMP 可提供第 2 類補(bǔ)償

　　有幾款運(yùn)算放大器適合環(huán)路放大器，它們包括OPA445、OPA454、OPA551和 OPA627BP，但其它類似器件也沒問題。表1針對(duì)該目的使用的任何放大器列出了重要的特性參數(shù)：

　　表1.第 1 類及第 2 類補(bǔ)償所需的放大器特性。

　　如果失調(diào)電壓時(shí)間增益會(huì)導(dǎo)致環(huán)路放大器輸出進(jìn)入電軌，您可能需要一款電源大于被測(cè)試器件電源的環(huán)路放大器。這種情況下可能需要對(duì)被測(cè)試器件的最終性能進(jìn)行微調(diào)。例如，如果最初未微調(diào)的失調(diào)電壓是 20mV，那么環(huán)路放大器就需要能夠支持 20V 擺動(dòng)。這種問題在測(cè)量 IB時(shí)也會(huì)出現(xiàn)。

　　指零放大器的輸入共模范圍是重要的考慮因素。將環(huán)路放大器的電源與共模范圍進(jìn)行部分結(jié)合，必須有助于實(shí)現(xiàn)被測(cè)試器件的軌至軌輸出。您可以通過偏移被測(cè)試器件的電源來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。在環(huán)路放大器中獲得額外的共模范圍非常便捷。

　　一旦選擇環(huán)路放大器，您就需要獲取環(huán)路放大器和被測(cè)試器件的波特圖。圖 4 是OPA551和OPA227的波特圖。這些波特圖都是來自產(chǎn)品說明書的典型曲線。我們將OPA551作為環(huán)路放大器，將OPA227作為被測(cè)試器件，如圖4中的實(shí)例所示。

　　(a)

　　(b)

　　圖4.(a)OPA551和 (b)OPA227的波特圖顯示了增益和相位與頻率的關(guān)系。

　　從圖4中的波特圖可以看到，OPA551的增益帶寬 (GBW) 是 3MHz，OPA227的增益帶寬是 8MHz。OPA551的 DC 增益大約為 125dB，OPA227的 DC 增益大約是 160dB。

　　第 1 類補(bǔ)償法

　　有了環(huán)路放大器和被測(cè)試放大器的波特圖，您可以繪制出代表測(cè)試環(huán)路的波特圖?？墒褂脤?duì)數(shù)標(biāo)尺方格紙手工繪制波特圖來確定補(bǔ)償電容器值，這種方法固然可靠，不過使用電子數(shù)據(jù)表會(huì)使該任務(wù)得到大幅簡(jiǎn)化。一旦設(shè)定好了電子數(shù)據(jù)表，再為任何新部件確定補(bǔ)償值都會(huì)很輕松。

　　第 1 類補(bǔ)償需要用到幾個(gè)公式。被測(cè)試器件使用公式1：

　　在 Excel 表格中應(yīng)為：=20*LOG10($C$7/(SQRT(1+($A10/$C$6)^2)))，其中 $C$7 = 產(chǎn)品說明書中的 DC Aol，$A10 是頻率，$C$6 為 3db 衰減頻率。

　　公式 1應(yīng)該創(chuàng)建一個(gè)與被測(cè)試器件產(chǎn)品說明書中開環(huán)增益曲線匹配的曲線。您可通過調(diào)整 3dB 點(diǎn)來確定曲線，獲得正確的帶寬。

　　現(xiàn)在添加反饋曲線。這只是一條處于 60dB 位置的直線，也就是 1000 增益的反饋。如果您使用增益為 100 的測(cè)試環(huán)路，就應(yīng)使用 40dB。公式 1 與 60dB 直線的交叉點(diǎn)是臨界交點(diǎn)頻率 fC。逼近率是每十倍頻程 20dB，而且添加的任何補(bǔ)償都必須保持這個(gè)逼近率。參考圖5查看詳細(xì)內(nèi)容。在 Excel 表格中，只需在反饋欄中填入 60 或 40。

　　本實(shí)例中的臨界交點(diǎn)頻率大約是 8.6kHz。該頻率 f1應(yīng)設(shè)定為 fC的四分之一，以獲得 2150Hz 的最佳環(huán)路響應(yīng)。如果您將 R1選擇為 10kW，可使用公式2來計(jì)算 CCOMP：

　　補(bǔ)償環(huán)路放大器的公式為：公式3

　　在 Excel 表格中應(yīng)為：= -20*LOG10(1/SQRT(1+($E$6/$A10)^2))，其中 $E$6 = 1/(2πR1CCOMP)，$A10 是頻率。

　　在雙放大器環(huán)路中，被測(cè)試器件的輸出可作為輸入連接至環(huán)路放大器。因此，這些運(yùn)算放大器可進(jìn)行級(jí)聯(lián)。增益是兩個(gè)放大器增益的乘積。以分貝為單位時(shí)，增益乘積就是求和。由于我們以分貝為單位，因此應(yīng)將公式1和公式3相加得到兩個(gè)放大器的總和。

　　在Excel表格中應(yīng)為：=B10+C10

　　圖5是 CCOMP取 2.2nF、7.7nF 和 22nF 這三個(gè)值時(shí)的頻率響應(yīng)。我們選擇這些補(bǔ)償值可獲得欠阻尼、臨界阻尼和過阻尼測(cè)試環(huán)路的實(shí)例。即使環(huán)路放大器的截止頻率不斷增加，直到接近 fC為止，測(cè)試環(huán)路仍然很穩(wěn)定。截止頻率也可降低，而且測(cè)試環(huán)路仍然很穩(wěn)定。很大范圍的電容器值都會(huì)使環(huán)路穩(wěn)定。但要有一個(gè)對(duì)趨穩(wěn)時(shí)間的權(quán)衡。如果選擇的環(huán)路放大器截止頻率為 fC的四分之一，我們就可獲得最佳趨穩(wěn)時(shí)間，該環(huán)路就為臨界阻尼。用TINA-TI SPICE仿真測(cè)試環(huán)路，可顯示 CCOMP的效果。

　　圖 5：第 1 類補(bǔ)償?shù)牟ㄌ貓D顯示：控制環(huán)路在 fc=8.5kHz 時(shí)為臨界阻尼。

　　圖6中的電路可仿真第 1 類環(huán)路響應(yīng)。

　　圖6.使用 TINA spice 仿真的電路可提供第 1 類補(bǔ)償。

　　我們分別針對(duì) C1=2.2nF、7.7nF 和 22nF 運(yùn)行了瞬態(tài)仿真。環(huán)路控制輸入從 0V 變成了 10V，就像測(cè)量運(yùn)算放大器 Aol 時(shí)的情況一樣。圖7是所得的輸出波形。三種情況環(huán)路都很穩(wěn)定，但小于 7.7nF 時(shí)有明顯的振鈴。因此，環(huán)路為欠阻尼。電容器值高于 7.7nF 時(shí)，環(huán)路為過阻尼狀態(tài)。電容器為 22nF 時(shí)，環(huán)路在 1.0ms 內(nèi)還未趨穩(wěn)。它最終還是會(huì)趨穩(wěn)，但會(huì)消耗更多的測(cè)試時(shí)間。

　　圖7.第 1 類補(bǔ)償?shù)腡INA-TISPICE 仿真結(jié)果。

　　第2 類補(bǔ)償法

　　對(duì)于第 2 類補(bǔ)償，我們需要繪制出被測(cè)試器件和環(huán)路放大器的波特圖。公式4 至 5相同，但一個(gè)代表被測(cè)試器件，另一個(gè)代表環(huán)路放大器。

　　公式4用于被測(cè)試器件：

　　在 Excel 表格中應(yīng)為：= 20*LOG10($C$7/(SQRT(1+($A10/$C$6)^2)))，其中 $C$7 是被測(cè)試器件的 DC 增益，$A10 是頻率，而 $C$6 則是被測(cè)試器件的 3dB 衰減頻率。

　　公式 5適用于補(bǔ)償環(huán)路放大器：

　　在 Excel 表格中應(yīng)為：=20*LOG10($B$7/(SQRT(1+($A10/$B$6)^2)))，其中 $B$7 是環(huán)路放大器的 DC 增益，$A10 是頻率，而 $B$6 則是環(huán)路放大器的 3dB 衰減頻率。

　　接下來繪制這兩條增益曲線的總和圖。

　　最后，使用公式6繪制反饋網(wǎng)絡(luò)的曲線：

　　在 Excel 表格中，等式為：=20*LOG10($E$7/(SQRT(1+($A10/$E$6)^2)))，其中 $E$7 是增益，$A10 是頻率，而 $E$6 則是 1/(2pRFCCOMP)。

　　圖 8是所得到的曲線。

　　代表兩個(gè)放大器之和的曲線以每十倍頻程 20dB 的逼近率與反饋曲線相交，而且是穩(wěn)定的。選擇合適的 CCOMP值，使反饋增益曲線下降并在 30dB 的位置穿過合并的放大器響應(yīng)(這是兩個(gè)放大器之和)，這就是臨界頻率 fC。有寬泛的補(bǔ)償值都可使環(huán)路保持穩(wěn)定。圖8不僅給出了 10pF 補(bǔ)償電容器的曲線，其在 f1處穿過合并曲線,而且還給出了 100pF 電容器的曲線，其在 f2處穿過合并曲線。同樣，我們還使用TINA-TISPICE 顯示三個(gè)補(bǔ)償電容器值的效果。

　　圖8.第 2 類補(bǔ)償波特圖顯示了不同電容器值的環(huán)路響應(yīng)

　　圖 9是不同補(bǔ)償電容器對(duì)環(huán)路趨穩(wěn)時(shí)間的影響。選擇用于提供 30dB 交點(diǎn)頻率的電容器，可獲得臨界阻尼響應(yīng)。

　　圖9.第 2 類補(bǔ)償?shù)?TINA Spice 仿真結(jié)果顯示：電容器可影響趨穩(wěn)時(shí)間

　　現(xiàn)在我們可以比較兩類補(bǔ)償?shù)沫h(huán)路響應(yīng)。當(dāng)是臨界阻尼時(shí)，第 2 類補(bǔ)償可使電路在大約 27µs 內(nèi)趨穩(wěn)。這就意味著它的趨穩(wěn)時(shí)間是 17µs，因?yàn)閳D9中環(huán)路控制在 10µs 時(shí)被改變。第 1 類補(bǔ)償直到大約 450µs 時(shí)才穩(wěn)定。第 2 類補(bǔ)償趨穩(wěn)時(shí)間要快 26 倍。即使第 2 類補(bǔ)償是欠阻尼和過阻尼狀態(tài)，趨穩(wěn)速度也比使用第 1 類補(bǔ)償快。

　　最后，在使用大型電阻器測(cè)量輸入偏置電流時(shí)，大電阻與被測(cè)試器件輸入電容的相互作用，會(huì)導(dǎo)致足夠的相移使環(huán)路不穩(wěn)定。輸入偏置電流的測(cè)試電路可顯示大型電阻器的電容器。正確值通常必須通過試驗(yàn)確定。別忘了在測(cè)量之前必須完全充電電容器。在測(cè)試進(jìn)行過程中使用示波器監(jiān)控測(cè)試環(huán)路，可確保所有測(cè)量的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。

　　用來選擇CCOMP的數(shù)學(xué)方法

　　您可計(jì)算理想的 CCOMP值，而不是使用波特圖或 SPICE 仿真。圖10是每種補(bǔ)償類型的電容器 CCOMP布置位置。

　　圖10.第 1 類補(bǔ)償在整個(gè)反饋環(huán)路上布置一個(gè)電容器。而第 2 類補(bǔ)償則只在放大器 2 上布置反饋電容器

　　有了 RF、RIN、RC和 BW1(見圖10)，我們可通過公式7計(jì)算第 1 類補(bǔ)償?shù)?CCOMP。

　　有了 RF、RIN、BW1 和 BW2(見圖10)，我們可通過公式8計(jì)算第 2 類補(bǔ)償?shù)?CCOMP。

　　如果仍然有振蕩，該怎么辦?

　　即便進(jìn)行了適當(dāng)補(bǔ)償，兩個(gè)放大器環(huán)路仍然可能會(huì)有振蕩，特別是在測(cè)試 IB時(shí)。這就是第 3 部分所介紹拓?fù)涞膶?shí)用性所在。這樣，在雙放大器環(huán)路出現(xiàn)問題時(shí)，您可使用自測(cè)試環(huán)路。而且，可使用兩種不同的方法測(cè)試，其可用來驗(yàn)證測(cè)試功能。在不發(fā)生振蕩并有足夠趨穩(wěn)時(shí)間的情況下，兩種環(huán)路應(yīng)該得到相同的結(jié)果。盡管可能似乎有些多余，但仍然有必要再次提醒一下：在測(cè)試過程中必須一直使用示波器監(jiān)控測(cè)試。

　　開發(fā)運(yùn)算放大器測(cè)試方案時(shí)，電路板布局非常重要。在我們的一種最初探測(cè)解決方案中，有一條跡線從被測(cè)試器件的輸出引入到了被測(cè)試器件輸入引腳的底部。該寄生電容創(chuàng)建了一個(gè)正向反饋回路，導(dǎo)致環(huán)路發(fā)生了振蕩。圖11顯示了該布局錯(cuò)誤。這個(gè)問題花了很長(zhǎng)時(shí)間才找到。解決辦法是切斷電路板內(nèi)層上這條松動(dòng)的跡線，然后在圍繞該問題連接一根藍(lán)色跳線。因此，在審核印刷電路板 (PCB) 布局時(shí)，應(yīng)多加小心，特別是在使用自動(dòng)布線功能時(shí)。

　　圖 11.由于布局有問題，必須切斷跡線，添加一根跳線。

　　結(jié)論

　　對(duì)于測(cè)試各種 DC 運(yùn)算放大器而言，這些測(cè)試方法和電路都非常有用。自測(cè)試與雙放大器環(huán)路相結(jié)合，可為解決煩人的振蕩問題帶來極大優(yōu)勢(shì)。記住，趨穩(wěn)時(shí)間非常重要，因?yàn)闇y(cè)試時(shí)間很寶貴。還得強(qiáng)調(diào)一下，在開發(fā)測(cè)試解決方案時(shí)要一直使用示波器。開發(fā)時(shí)，得將示波器連接在測(cè)試電路上，這樣可保無憂。