Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для измерения электрических параметров операционных усилителей и компараторов напряжения

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться при входном контроле аналоговых микросхем при производстве радиоэлектронной аппаратуры с целью предотвращения попадания в аппаратуру компонентов, имеющих скрытые дефекты.

Значительная часть аналоговых интегральных микросхем (ИС) относится к операционным усилителям (ОУ) и компараторам напряжения(КН).

Важнейшими электрическими параметрами ОУ и КН являются:

- входное напряжение смещения нуля (U_см) - значение постоянного напряжения на входах, при котором выходное напряжение равно заданному значению; диапазон значений U_см простирается от единиц микровольт до десятков милливольт;

- входной ток (I_вх) - ток, протекающий по входным цепям операционного усилителя (обычно среднее значение входного тока, определяемое выражением

QUOTE ,

диапазон значений от единиц пикоампер до десятков микроампер);

- разность входных токов (ΔI_вх) - разность значений токов, протекающих по входным цепям операционного усилителя, диапазон значений от единиц пикоампер до десятков микроампер;

- коэффициент усиления напряжения (К_у) - отношение приращения величины выходного напряжения операционного усилителя к вызвавшему это приращение изменению входного напряжения, диапазон значений от 10³ до 10⁷;

- коэффициент ослабления синфазного входного напряжения (К_оссф) - отношение величины входного синфазного сигнала к входному дифференциальному напряжению, вызывающему такое же приращение выходного напряжения, диапазон значений от 30 до 130 дБ;

- коэффициент влияния нестабильности источников питания (К_влип) - отношение приращения напряжения смещения операционного усилителя к вызвавшему его изменению напряжения источника питания, диапазон значений от 0.01 до 0.5 мкВ/В.

Методы измерения статических и динамических параметров операционных усилителей и компараторов напряжения регламентированы в 17 нормативных документах (ГОСТ 23089.1-83 – 23089.17-83).

В настоящее время на предприятиях по производству радиоэлектронной аппаратуры находят применение тестеры аналоговых микросхем. В отечественном приборостроении наиболее широко применяются:

- универсальный тестер функционального контроля и параметрических измерений цифровых и аналоговых микросхем FORMULA 2K;

- тестер операционных усилителей, разработанных ОАО «ЦНИИИА»;

- измеритель параметров аналоговых микросхем Л2-71.

Классическая схема измерения вышеуказанных параметров, применяемая в большинстве тестеров аналоговых ИС и используемая при измерении параметров в соответствии с вышеуказанными ГОСТами, приведена на рис. 1. Здесь объект контроля – ОУ или КН (ОУ1) – совместно с вспомогательным ОУ или КН (ОУ2) охвачен цепью отрицательной обратной связи, образованной делителем напряжения из резисторов R1 и R2. Благодаря вспомогательному ОУ2 напряжение на выходе объекта контроля устанавливается равным напряжению на выходе источника ИСТ1.

Так, при измерении U_см (см., напр. ГОСТ 23089.3-83. Микросхемы интегральные. Методы измерения напряжения и эдс смещения операционных усилителей и компараторов напряжения) с использованием данной схемы напряжение на выходе ИСТ1 устанавливается равным 0, при этом напряжение на выходе схемы, измеряемое вольтметром V, связано с величиной U_см соотношением:

При измерении I_вх1, I_вх2 в цепь каждого входа включается резистор Ri с помощью ключей К1 и К2, величина входного тока оценивается по отклонению величин ΔU_см1,2 относительно U_см, измеренной ранее:

QUOTE , QUOTE

Разность входных токов:

Измерение коэффициента усиления проводится путем измерения U_см при двух различных значениях напряжений на выходе ОУ, устанавливаемых с помощью источника ИСТ1:

Измерение коэффициентов К_оссф и К_влип аналогично сводится к измерению изменения U_см, обусловленного изменением, соответственно, синфазного сигнала и напряжения источников питания:

Известна схема для измерения параметров операционных усилителей, использующая дополнительный операционный усилитель (патент на полезную модель CN202025069, компания BONRISH MICROELECTRONICS TECHNOLOGY, публикация 02.11.2011), которая представляет собой один из возможных вариантов реализации классической схемы для измерения параметров операционных усилителей и компараторов напряжения (Рис.2).

Данное изобретение относится к схеме для тестирования операционного усилителя с использованием вспомогательного операционного усилителя. В данной схеме один вывод сопротивления R1 подключен к источнику питания переменного тока VI1, а другой вывод сопротивления R1 соединен с сопротивлением R11 и сопротивлением R3 последовательно, при этом другой вывод сопротивления R11 соединен с инвертирующим входом тестируемого операционного усилителя A1, один вывод сопротивления R2 соединен с источником питания VI1, а другой конец сопротивления R2 соединен с сопротивлением R10 и сопротивлением R4 последовательно, а другой вывод сопротивления R11 соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя А1, подлежащего испытанию, другой вывод источника питающего напряжения VI1 заземлен, другой вывод сопротивления R4 заземлен, а другой вывод сопротивления R3 связан с одним выводом двустороннего переключателя S4, другой вывод переключателя S4 соединен с выходом вспомогательного операционного усилителя, выход тестируемого операционного усилителя А1 соединен с одним выводом другого отделения двухсторонней переключатель S4, на другом конце переключатель S4 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя A2 , выход тестируемого операционного усилителя А1 соединен с одним выводом переключателя S3, другой конец переключателя S3 соединен с сопротивлением RL последовательно, другой вывод которого заземлен, неинвертирующий вход вспомогательного операционного усилителя А2 соединен с источником тока VI2, а другой вывод которого VI2 заземлен, переключатели S1 и S2 соответственно соединены на обоих выводах с сопротивлениями R11 и R10 параллельно, и два вывода сопротивления R3 соединены с выводами компенсационного конденсатора С2.

Данная схема позволяет производить измерение следующих параметров операционных усилителей и компараторов напряжения:

- входного напряжения смещения нуля U_СМ;

- входных токов Iвх1,2 и разности входных токов QUOTE ;

- коэффициентов усиления напряжения QUOTE , ослабления синфазного сигнала QUOTE влияния нестабильности источников питания QUOTE

К недостаткам рассмотренной схемы следует отнести наличие отрицательной обратной связи через R₃С₂, охватывающей оба операционных усилителя, что с большой вероятностью может привести к возникновению паразитной генерации, приводящей к недостоверным результатам измерений.

Ближайшим известным аналогом предлагаемого технического решения является метод измерения входного напряжения смещения нуля, предложенный в патенте на изобретение JPS54126476, NIPPON ELECTRIC CO, публикация 22.02.2012 (схема рис.3).

Данная схема включает тестируемый операционный усилитель 1, вспомогательный операционный усилитель 2, измерительный модуль 3 и модуль арифметической обработки 4, неинвертирующий вход операционного усилителя 1 через последовательно соединенные резисторы R_sa и R1 соединен с «землей», инвертирующий вход операционного усилителя 1 через последовательно соединенные резисторы R_sb и R2 соединен с «землей», а выход операционного усилителя 1 соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя 2, инвертирующий вход которого соединен с землей, при этом выход операционного усилителя 2 через резистор Rf соединен с выводом резистора R2, не соединенным с землей, и входом измерительного модуля, выход которого соединен со входом модуля арифметической обработки. В процессе измерений резисторы R_sa и R_sb шунтируются замкнутыми контактами а и b реле К1.

При измерении входного напряжения смещения нуля Uсм контакты a и b замкнуты, результат измерения – напряжение на выходе операционного усилителя 2, связанное с величиной U_см соотношением

- измеряется модулем 3 и оцифровывается, затем это цифровое значение сохраняется в модуле арифметической обработки 4.

Описанная операция повторяется дважды при поочередно разомкнутых контактах а и b. Из полученных результатов определяются значения входных токов:

QUOTE = QUOTE - QUOTE

Главным недостатком ближайшего аналога и других известных устройств для измерения параметров операционных усилителей и компараторов напряжения является необходимость при реализации рассмотренной схемы включения подавления паразитной генерации, которая неизбежно возникает в схеме за счет наличия вспомогательного ОУ. Борьба с паразитной генерацией требует принятия специальных мер, индивидуального подхода к поиску схемы включения для каждого типа ИС. Ситуация усугубляется при контроле параметров компараторов напряжения – устройств, которые в принципе не имеют предусмотренных средств контроля формы частотной и фазовой характеристик.

Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое техническое решение, является устранение паразитной генерации при измерении параметров операционных усилителей или компараторов напряжения.

Предлагается использовать схему включения ИС ОУ и КН при измерении электрических параметров, которая представлена на рис.4, в примере для измерения напряжения смещения U_см, входных токов (I_вх), разности входных токов (ΔI_вх) и коэффициента усиления К_у.

Устройство для измерения электрических параметров операционных усилителей и компараторов напряжения содержит объект контроля - первый операционный усилитель или компаратор напряжения ОУ (КН), инвертирующий вход которого через параллельно включенные резистор R2 и элемент коммутации K2 соединен с «землей», а неинвертирующий вход которого через параллельно подключенные резистор R1 и элемент коммутации K1 соединен с выходом цифроаналогового преобразователя ЦАП1, при этом выход первого операционного усилителя или компаратора напряжений ОУ (КН) соединен с неинвертирующим входом компаратора напряжения КН, инвертирующий вход компаратора напряжения КН соединен с выходом второго цифроаналогового преобразователя ЦАП2, а выход компаратора КН подключен к входу контроллера, выходы которого соединены с цифровыми входами цифроаналоговых преобразователей ЦАП1 и ЦАП2.

Главной особенностью этой схемы является отсутствие у контролируемого ОУ (КН) цепи отрицательной обратной связи, что сразу же снимает вопрос о паразитной генерации и позволяет заявить о наличии универсальной схемы включения при измерении электрических параметров всех типов ОУ и КН.

С помощью приведенной схемы измерение практически всех параметров сводится к измерению напряжения смещения нуля U_см в различных режимах.

Формирование кода U_см выполняется контроллером в соответствии с блок-схемой алгоритма, показанной на рис. 5. С помощью ЦАП2 устанавливается требуемое напряжения на выходе ОУ Uоу (1). На выходе контроллера устанавливается старший разряд кода, в соответствии с которым на выходе ЦАП1 и на неинвертирующем входе ОУ формируется соответствующее этому разряду напряжение (2). Выполняется сравнение выходного напряжения ОУ с напряжением ЦАП2 и в зависимости от результата сравнения в данный разряд кода записывается 1 (4) либо 0 (5). Далее контроллер устанавливает следующий (младший) разряд кода (6) и повторяются вышеописанные операции (2 … 6). После завершения перебора всех разрядов контроллера работа программы по формирования кода U_см завершается.

Таким образом, код на входах ЦАП1 соответствует величине U_см, а напряжение на выходе ЦАП1 будет равно величине U_см с погрешностью, определяемой дискретностью.

Так, параметр U_см измеряется следующим образом: на выходе цифроаналогового преобразователя ЦАП2 устанавливается значение напряжения, равное выходному напряжению ОУ (КН), при котором должно быть измерено U_см; на выходе ЦАП1 устанавливается напряжение, предельно близкое к величине порога переключения выходного напряжения ОУ (КН), фиксируемого компаратором КН и контроллером.

Это напряжение на выходе ЦАП1 и будет равно величине U_см с погрешностью, определяемой дискретностью ЦАП1 и тщательностью подхода к порогу переключения ОУ (КН).

Удобнее всего для подбора величины выходного напряжения ЦАП1 использовать известный метод поразрядного взвешивания. При этом на выходах логического анализатора формируется цифровой код измеренной величины U_см.

При измерении входных токов вначале производится измерение U_см при замкнутых контактах элементов коммутации К1 и К2, как это было описано выше.

Затем контакт элемента коммутации К1 размыкается и измеряется U_вх1 с учетом падения напряжения на резисторе R1:

QUOTE .

Далее измеряется U_вх2 при разомкнутом элементе коммутации К2 (контакт элемента коммутации К1 при этом замкнут):

QUOTE .

После вышеприведенных измерений вычисляются результаты:

QUOTE ;

QUOTE ;

ΔIвх = Iвх2 - Iвх1.

Измерение коэффициента усиления Ку производится в два шага.

Вначале на выходе ЦАП2 устанавливается напряжение U_выхмин и производится измерение U_сммин для этого значения выходного напряжения ОУ (КН). Затем на выходе ЦАП2 устанавливается напряжение U_{выхмакс} и измеряется U_сммакс. По окончании этого цикла измерений рассчитывается коэффициент усиления по формуле:

Аналогично проводятся измерения коэффициентов К_оссф и К_влип: выполняются измерения значений U_см, для различных значений синфазного сигнала и напряжений источников питания. Результаты вычисляются с использованием соотношений:

При практическом использовании предложенного технического решения устраняется паразитная генерация, присущая известным методам, а также упрощается измерение и снижается погрешность измерения важнейших параметров операционных усилителей и компараторов напряжения.