CC BY
72
УДК 621.317.3
1Светлов А.В., 1Паршуков М.Ю., 1Сапунов Е.В., 1Комаров В.В.
хФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
ИЗМЕРИТЕЛИ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
Введение
Для обеспечения надежности изделий электронной техники необходимо контролировать параметры используемых при ее производстве электрорадиоэлементов. Это требование в полной мере относится к интегральным операционным усилителям (ОУ) , являющимся важнейшими активными элементами современной аналоговой электроники. Имеющееся на предприятиях приборостроения контрольноизмерительное оборудование позволяет контролировать только статические параметры аналоговых интегральных схем. В частности, широко распространенный тестер FORMULA 2К предназначен для контроля следующих параметров ОУ: коэффициента усиления по постоянному току, напряжения сме-
щения нуля, входного тока, тока потребления, максимального выходного напряжения, коэффициента ослабления синфазных входных напряжений. Расширяющееся производство изделий электронной техники, работающих с широкополосными, в том числе импульсными сигналами, ставит задачу разработки средств измерения и контроля динамических параметров ОУ, прежде всего, максимальной скорости нарастания выходного напряжения, частоты единичного усиления и запаса устойчивости по фазе на этой частоте. Для обеспечения возможности 100%-ного входного контроля ОУ при производстве изделий электронной техники специального назначения измерители динамических параметров ОУ должны быть автоматизированными, программно управляемыми, быстродействующими [1, 2]. Погрешность измерений параметров ОУ в динамическом режиме, согласно ГОСТ 23089.0-78, должна находиться в пределах ±10%.
1. Измеритель максимальной скорости нарастания выходного напряжения ОУ
В соответствии с ГОСТ 23089.10-83 максимальная скорость нарастания Уи вых тах ф выходного напряжения ОУ определяется как отношение разности напряжений между уровнями 0,1 и 0,9 выходного напряжения ОУ ко времени нарастания (длительности фронта) импульсов выходного напряжения ОУ Тф ,
при подаче на вход ОУ, включенного в измерительную схему с коэффициентом усиления по напряжению КИс , последовательности прямоугольных импульсов с амплитудой Ubx и с малыми длительностями фронта и спада:
U вых max ф
0,8 ■ Кис ■ Ubx
т
ф
(1)
С учетом асимметрии реальных значений максимальных скоростей нарастания и спада выходного напряжения ОУ [1] предусмотрена возможность измерения также и максимальной скорости спада выходного напряжения ОУ:
V
U вых max сп
0,8 ■ Кис ■ Uвх
т
сп
(2)
где Тсп - время спада импульсов выходного напряжения ОУ.
Предложена структура измерителя максимальных скоростей нарастания и спада выходного напряжения ОУ (рис. 1), отличающаяся тем, что длительности импульсов, сформированных с помощью двух компараторов, пропорциональные времени нарастания и спада между уровнями 0,1 и 0,9 выходного напряжения ОУ, преобразуются в постоянные напряжения. На вход измерительной схемы в виде неинвертирующего усилителя с коэффициентом усиления Кис поступает напряжение Ubx ) в виде последовательности однополярных или двухполярных прямоугольных импульсов с амплитудой Ubx и периодом следования T . Стабильность амплитуды импульсов входного напряжения обеспечивается за счет коммутации стабилизированных постоянных опорных напряжений Ubx и -Ubx с помощью коммутатора, управляемого выходным импульсным сигналом DDS-генератора.
Выходное напряжение измерительной схемы Ub-ых (t) поступает на первые входы компараторов 1 и 2, на вторые и третьи входы которых подаются постоянные пороговые напряжения U^pi = 0,1KUbx и Уор2 = 0,9 KU вх с выхода источника опорных напряжений.
им
ивых(0
Рис. 1. Структурная схема измерителя скорости нарастания и спада выходного напряжения ОУ
Компараторы 1 и 2 осуществляют сравнение напряжения UBbK (t) с установленными пороговыми уровнями, в результате чего на выходах компараторов формируются импульсы с длительностями, равными соответственно времени нарастания Тф и спада Тш между уровнями 0,1 и 0,9 выходного напряжения ОУ. Выходные напряжения компараторов 1 и 2 поступают на входы формирователя импульсов, на другие входы которого подаются стабилизированное постоянное опорное напряжение Uon с выхода источника
опорного напряжения и исходный импульсный сигнал с выхода DDS-генератора, задающий период T следования импульсов.
Формирователь импульсов осуществляет необходимую временную селекцию сигналов, в результате чего на его выходах формируются периодические последовательности прямоугольных импульсов UqH1 (t) и
ифИ2 (t) с амплитудой U°n , периодом следования T и длительностями, соответственно равными вре-
мени нарастания Тф и времени спада Тш выходного напряжения ОУ. Напряжения ифиі (t) и ифи2 (t) с
выходов формирователя импульсов поступают на входы измерителей среднего значения ИСЗН1 и ИСЗН2, выходные постоянные напряжения которых пропорциональны соответственно растания Тф и времени спада Тот выходного напряжения ОУ.
U - U°n 'Тф . (3)
и ИСЗН1 — ~ . (3)
напряжения времени на -
U И
U°n 'Тсп
(4)
Эти напряжения усиливаются масштабирующими усилителями 1 и 2 с одинаковыми коэффициентами усиления KMY . Значение KMY выбирается, исходя из условия согласования уровня выходного напряжения ИСЗН1, ИСЗН2 с диапазоном входных напряжений АЦП. Выходные напряжения масштабирующих усилителей 1 и 2
U МУ1 -UМУ2 -
КМУ ' Uon ' Тф
T
КМУ ' Uon ' Тсп
T
(5)
(6)
оцифровываются с помощью АЦП 1 и 2 и в виде цифрового кода заносятся в персональный компьютер, где программой обработки результатов измерений вычисляются искомые значения максимальных скоростей нарастания и спада выходного напряжения ОУ по формулам:
V
U вых max ф
0,8 ' Кис ' КМУ ' UBX ' Uon
U МУ1 'T
(7)
Vrr
UMy2 ' T
(8)
Разработанная структура (рис. 1) измерителя максимальных скоростей нарастания и спада выходного напряжения ОУ отличается простотой реализации и программным управлением процессом измерения.
0,8 ' Кис ' Кму ' Ubx ' U°п
2. Измеритель частоты единичного усиления ОУ
В соответствии с ГОСТ 19480-89 частота единичного усиления f определяется как частота, на
которой модуль коэффициента усиления ОУ равен единице.
Предложена структура автоматизированного измерителя частоты единичного усиления ОУ (рис. 2), отличающаяся тем, что сравнение входного и выходного напряжений ОУ осуществляется с помощью дифференциального амплитудного детектора и компаратора напряжений, состояние которого учитывается при задании частоты программно управляемого генератора тестовых сигналов.
Исследуемый ОУ включается в состав измерительной схемы в виде инвертирующего или неинвертирующего усилителя с коэффициентом усиления, равным 10.
Рис. 2. Структурная схема измерителя частоты единичного усиления ОУ
На вход измерительной схемы поступает тестовый синусоидальный сигнал с выхода программно управляемого DDS-генератора сигналов. Входное и выходное напряжения измерительной схемы подаются на входы дифференциального амплитудного детектора, в котором для обеспечения идентичности каналов использована сборка диодов Шоттки на одной подложке. Выходные напряжения двух каналов дифференциального амплитудного детектора, пропорциональные амплитудам входного и выходного напряжений измерительной схемы, поступают на входы компаратора напряжений. Информация о состоянии компаратора через устройство ввода поступает на персональный компьютер и учитывается программой, управляющей заданием частоты тестового сигнала DDS-генератора.
Разработана методика автоматизированного измерения частоты единичного усиления ОУ, отличающаяся тем, что частота тестового сигнала, подаваемого на исследуемый ОУ для оценки его коэффициента усиления, изменяется не плавно, а дискретно, начиная с минимально допустимого значения частоты единичного усиления, с последующим удвоением частоты, а затем итерационным сужением диапазона поиска частоты f , при которой коэффициент усиления ОУ становится меньше единицы при
заданном разрешении по частоте.
3. Измеритель запаса устойчивости ОУ по фазе
Запас устойчивости по фазе на частоте единичного усиления является количественной характеристикой устойчивости ОУ. Оценка данного параметра позволяет выявить ОУ, склонные к самовозбуждению, поскольку при значении запаса устойчивости по фазе на частоте единичного усиления менее 45° ОУ становится потенциально неустойчивым.
Метод измерения запаса устойчивости по фазе f , в соответствии с ГОСТ 23089.16-90, основан на измерении разности фаз f между входным и выходным напряжением ОУ на частоте единичного усиления ОУ и последующем вычислении запаса устойчивости по фазе:
f0 = 180°-f . (9)
Предложена структура измерителя запаса устойчивости ОУ по фазе (рис. 3), отличающаяся тем, что разность фаз между входным и выходным напряжениями ОУ на частоте единичного усиления преобразуется с помощью двух компараторов в длительность интервала времени, а затем в постоянное напряжение.
Цк(0 ивьк(0
Рис. 3. Структурная схема измерителя запаса устойчивости ОУ по фазе
Программно управляемый DDS-генератор тестовых сигналов подает синусоидальный сигнал с частотой, равной ранее измеренной частоте f единичного усиления ОУ, на вход измерительной схемы в виде неинвертирующего усилителя с исследуемым ОУ. Входное и выходное напряжения измерительной схемы Ubx (t) и ЦвЬК (t) поступают соответственно на первые входы компараторов 1 и 2, на вторые входы которых подается заранее выбранное постоянное пороговое напряжение Un0p с выхода источника опорного напряжения.
Компараторы 1 и 2 изменяют свои состояния при превышении напряжениями UBX (t) и UBbIX (t) уста-
новленного порогового уровня. Выходные напряжения компараторов 1 и 2, а также стабилизированное постоянное опорное напряжение Uon с выхода источника опорного напряжения поступают на входы формирователя импульсов (ФИ), на выходе которого формируется периодическая последовательность прямоугольных импульсов Uqh(t) с амплитудой Uon , периодом следования T = 1 f и длительностью At , равной времени задержки выходного напряжения измерительной схемы относительно входного напряжения. Выходное напряжение формирователя импульсов Uфи(t) поступает на вход измерителя среднего
значения напряжения (ИСЗН), выходное напряжение которого пропорционально времени задержки At выходного напряжения измерительной схемы относительно входного напряжения:
Uисзн = ^П^- . (10)
Выход ИСЗН подключается к входу масштабирующего усилителя, коэффициент усиления КМу которого выбирается, исходя из условия согласования уровня выходного напряжения ИСЗН с диапазоном входных напряжений АЦП. Выходное напряжение масштабирующего усилителя
U МУ =
КМУ ' Uon ' At
T
(11)
пропорциональное времени задержки At выходного напряжения измерительной схемы относительно входного напряжения, оцифровывается с помощью АЦП и в виде цифрового кода заносится в персональный компьютер.
Для вывода расчетного соотношения для определения запаса устойчивости ОУ по фазе f используется полученное из (11) выражение:
At = U МУ 'T . (12)
КМУ ' Uon
С учетом (12) компьютерная программа обработки результатов измерений вычисляет разность фаз ф между входным и выходным напряжениями измерительной схемы
ф= UМУ '360° , (13)
КМУ ' Uon
а затем искомое значение запаса устойчивости по фазе ф0 :
ф0 = 180°-ф = 180°'|l - 2 UuY І . (14)
V KМУ ' Uon )
Предложенная структура измерителя запаса устойчивости ОУ по фазе обеспечивает погрешность измерения не более 5 % и отличается простотой реализации.
Заключение
Предложенные структуры измерителей динамических параметров ОУ использованы при построении многофункционального аппаратно-программного комплекса для измерения параметров ОУ [3]. Алгоритмы управления измерительными процедурами реализованы в среде LabVIEW с использованием технологии виртуальных приборов [4]. Погрешность измерения параметров ОУ находится в пределах ±5%. Программное управление режимами работы аппаратной части комплекса обеспечило автоматизацию измерений, что повысило производительность труда операторов, осуществляющих входной контроль ОУ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Автоматизированное измерение частотных параметров операционных усилителей / М. Ю. Паршу-
ков, А. В. Светлов, В. В. Комаров, Е. В. Сапунов // Инженерные и научные приложения на базе технологий National Instruments - 2013: Сборник трудов XII международной научно-практической
конференции. - М.: ДМК Пресс, 2013. - С. 164 - 166.
2. Автоматизированное измерение максимальной скорости нарастания выходного напряжения операционного усилителя / А. В. Светлов, М. Ю. Паршуков, С. Ю. Байдаров, И. В. Ханин // Надежность и качество - 2010: труды Международного симпозиума: в 2-х т.- Пенза: Изд-во ПГУ, 2010. - Том 2. -С. 185 - 187.
3. Измерение динамических параметров операционных усилителей с применением цифровых формирователей сигналов / А. В. Светлов, М. Ю. Паршуков, В. В. Комаров, Е. В. Сапунов // Надежность и качество - 2013: труды Международного симпозиума: в 2-х т.- Пенза: Изд-во ПГУ, 2013. - Том 2 . - С. 62 - 65.
4. Использование технологии виртуальных приборов при разработке аппаратно-программного комплекса для измерения параметров операционных усилителей / А. В. Светлов, М. Ю. Паршуков, С. Ю. Байдаров, В. В. Комаров // Надежность и качество - 2012: труды Международного симпозиума: в 2-х т.- Пенза: Изд-во ПГУ, 2012. - Том 2. - С. 7 - 10.
