Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Rzadko zadawane pytania: Jak zmierzyć pojemność wejściową op-ampa

ghost666 30 Sep 2022 14:53 456 0
Altium Designer Computer Controls
  • Rzadko zadawane pytania: Jak zmierzyć pojemność wejściową op-ampa
    Pytanie: Na czym powinienem się skupić podczas pomiaru pojemności wejściowej wzmacniacza operacyjnego?

    Odpowiedź: Należy upewnić się, że dokładność pomiaru nie zostanie pogorszona przez pojemności pasożytnicze i indukcyjność płytki drukowanej lub konfiguracji testowej. Można zminimalizować te problemy, używając sond o niskiej pojemności oraz krótkich linii na płytce drukowanej i unikając ogromnych płaszczyzn uziemienia poniżej ścieżek sygnałowych w układzie.

    Tab.1. Różne wzmacniacze operacyjne i ich wartości pojemności wejściowej.
    Op AmpTypPojemność wejściowa
    LT1792Wejście JFET14 pF
    LT1813Niskoszumny op-amp2 pF
    AD826Superszybki wzmacniacz operacyjny1.5 pF
    ADA4097-1Precyzyjny op-amp z niskim prądem polaryzacji wejścia3 pF
    AD8009Wzmacniacz operacyjny ze sprzężeniem prądowym2.6 pF
    Wzmacniacze operacyjne są wykorzystywane w wielu różnych obwodach elektronicznych. Ich zadaniem jest wzmacnianie małych napięć elektrycznych w celu dalszego przetwarzania sygnału. Zastosowania takie jak czujniki dymu, fotodiodowe wzmacniacze transimpedancyjne, instrumenty medyczne, a nawet przemysłowe mechanizmy sterowania wymagają najniższej możliwej pojemności wejściowej, ponieważ odbija się to, między innymi, na składowej szumu, co z kolei wpływa na stabilność systemu, zwłaszcza w przypadku takich o wysokiej częstotliwości i wzmocnieniu.

    Aby zmaksymalizować dokładność działania obwodu konieczna jest znajomość pojemności wejściowej wzmacniacza operacyjnego. Arkusze danych często jednak nie zawierają tych informacji, dlatego należy je ustalić niezależnie. Może to być trudne, ponieważ pojemność wejściowa w wielu przypadkach wynosi tylko kilka pF. W tabeli 1 wymieniono parę odmiennych przykładów wzmacniaczy operacyjnych różnych typów (dedykowanych do rozmaitych aplikacji) i ich odpowiednich wartości pojemności wejściowej.

    Jak określić pojemność wejściową?

    Prostym sposobem określenia pojemności wejściowej jest dodanie rezystora szeregowo (RSERIES) do wejścia wzmacniacza operacyjnego, jak pokazano na rysunku 1. Daje to filtr dolnoprzepustowy pierwszego rzędu o charakterystyce częstotliwościowej, która może być zarejestrowana przez analizator. Pojemność wejściową można obliczyć na podstawie odpowiedzi częstotliwościowej takiego układu. Rezystancja RSERIES zwykle mieści się w zakresie od 10 kΩ do 100 kΩ.

    Rzadko zadawane pytania: Jak zmierzyć pojemność wejściową op-ampa
    Rys.1. Za pomocą rezystora szeregowego na wejściu można zmierzyć pojemność wejściową wzmacniacza operacyjnego.


    Podczas rejestrowania odpowiedzi częstotliwościowej należy upewnić się, że dokładność pomiaru nie zostanie pogorszona przez rozproszoną pojemność i indukcyjność płytki drukowanej lub konfiguracji testowej. Wysoka rozdzielczość pomiaru powinna być wybrana w celu minimalizacji wpływu pojemności rozproszonej. Wskazane jest dodatkowe stosowanie aktywnych sond FET o małej pojemności (pF).

    Pojemność PCB względem masy powinna być również utrzymywana na jak najniższym poziomie. Można to osiągnąć, upewniając się, że pod ścieżkami sygnałowymi i rezystorem szeregowym na wejściu op-ampa nie ma wylewki masy. Ponadto należy używać możliwie najkrótszych ścieżek i przewodów czy nóżek rezystorów, aby uniknąć dodatkowych źródeł błędów, takich jak indukcyjność szeregowa i pasożytnicza poszczególnych układów. Rysunek 2 przedstawia potencjalną konfigurację testową z użyciem analizatora i rozdzielacza sygnału.

    Rzadko zadawane pytania: Jak zmierzyć pojemność wejściową op-ampa
    Rys.2. Konfiguracja testowa wykorzystana do pomiaru pojemności wejściowej wzmacniacza operacyjnego.


    Omawiany rozdzielacz ma za zadanie równo rozszczepić sygnał na dwa wyjścia. Sygnał o takiej samej amplitudzie podawany jest w niezmienionej postaci na wejście analizatora spektralnego, a także przechodzi przez wstawiony filtr dolnoprzepustowy do wejścia wzmacniacza operacyjnego. Analizator mierzy następnie odpowiedź częstotliwościową z różnicy między tymi dwoma sygnałami.

    Do samego pomiaru należy określić pojemność pasożytniczą CSTRAY. W tym celu sygnał jest podawany bez wzmacniacza operacyjnego na płytce. Z otrzymanego wykresu Bodego oblicza się wartość pojemności CSTRAY, jak pokazano w równaniu 1:

    $$C_{STRAY} = \frac {1} {2 \times \pi \times R_{TH1} \times f_1(-3 dB)} \qquad (1)$$

    f1(–3 dB) to częstotliwość narożna –3 dB mierzona analizatorem sieci bez op-ampa, a RTH1 jest funkcją wstawionej rezystancji szeregowej (RSERIES), rezystancji zakończenia wejścia (50 Ω) i 50 Ω impedancji źródła na rozdzielaczu mocy (odpowiednik w zapisie w zgodzie z twierdzeniem Thevenina):

    $$R_{TH1} = R_{szeregowo} + (50 || 50) \qquad (2)$$

    Następnie na płytce drukowanej umieszczany jest wzmacniacz operacyjny. Ponieważ pojemność pasożytnicza PCB jest równolegle połączona z pojemnością wejściową op-ampa, równanie 1 jest uzupełnione o wartość mierzonej pojemności CIN, jak pokazano w równaniu 3:

    $$C_{IN} + C{STRAY} = \frac {1} {2 \times \pi \times R_{TH2} \times f_2(-3 dB)} \qquad (3)$$

    Tym razem f2(–3 dB) jest częstotliwością graniczną -3 dB mierzoną przez analizator ze wzmacniaczem operacyjnym w układzie, a RTH2 jest funkcją wstawionej rezystancji szeregowej, rezystancji zakończenia wejściowego (50 Ω), impedancji wyjściowej rozdzielacza mocy (50 Ω) oraz impedancji wejściowej w trybie wspólnym (RCM):

    $$R_{TH2} = (R_{szeregowo} + (50 || 50) ) | R_{CM} \qquad (4)$$

    Ogólnie rzecz biorąc, dla wzmacniaczy operacyjnych z wejściami CMOS, RSERIES << RCM. Dlatego w przypadku tych elementów uda się powiedzieć, że RTH2 ≈ RTH1, a równanie 3 można przepisać, jak pokazano w równaniu 5:

    $$C_{IN} + C{STRAY} = \frac {1} {2 \times \pi \times R_{TH1} \times f_2(-3 dB)} \qquad (5)$$

    Podsumowanie

    Pojemność wejściowa wzmacniacza operacyjnego może być trudna do zmierzenia. Często mieści się w zakresie pojedynczych pF, a efekty pasożytnicze w układzie testowym zniekształcają wynik. Przy niewielkiej konfiguracji testowej i odpowiednim sprzęcie pomiarowym składającym się z analizatora i rozdzielacza sygnału łatwo jest dokładnie określić pojemność wejściową, najpierw definiując pasożytnicze (kondensator błędu w konfiguracji testowej — CSTRAY), a następnie ustanawiając łączoną względem ww. i wejściowej wzmacniacza operacyjnego, mierząc pasmo przenoszenia układu. Z przedstawionych wcześniej równań można obliczyć rzeczywistą pojemność wejściową op-ampa.

    Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/raq-issue-201.html

    Cool? Ranking DIY
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 11382 posts with rating 9627, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • Altium Designer Computer Controls