Pytanie:

Na co zwrócić uwagę mierząc pojemność wejściową wzmacniacza operacyjnego?

Odpowiedź:

Należy upewnić się, że dokładność pomiaru nie pogorszy się przez pasożytniczą pojemność i indukcyjność płytki drukowanej lub stanowiska testowego. Te problemy można zminimalizować przy użyciu sond o niskiej pojemności, wykorzystując krótkie linie na płytce drukowanej, a także unikając dużych płaszczyzn uziemienia pod ścieżkami sygnałowymi.

Wzmacniacze operacyjne są stosowane w wielu różnych układach elektronicznych. Ich zadaniem jest wzmacnianie małych napięć elektrycznych w celu dalszego przetwarzania sygnałów. Urządzenia takie jak czujniki dymu, wzmacniacze transimpedancyjne z fotodiodami, instrumenty medyczne, a nawet przemysłowe systemy sterowania wymagają od wzmacniaczy operacyjnych możliwie jak najmniejszej pojemności. Wpływa to bowiem m.in. na poziom szumów, a w konsekwencji na stabilność układu, zwłaszcza w przypadku układów o dużych częstotliwościach i wzmocnieniach.

Aby osiągnąć jak najwyższą dokładność danego obwodu konieczne jest poznanie pojemności wejściowej wzmacniacza operacyjnego. Karty katalogowe często jednak nie podają tej informacji, więc trzeba ustalić ją samodzielnie. Może to być trudne, ponieważ pojemność wejściowa w wielu przypadkach wynosi zaledwie kilka pF.

W tabeli 1 zestawiono kilka różnych przykładów wzmacniaczy operacyjnych i odpowiadające im wartości pojemności wejściowej.

Tabela 1. Wzmacniacze operacyjne i wartości ich pojemności wejściowej

Jak określić pojemność wejściową

Dość łatwym sposobem na określenie pojemności wejściowej wzmacniacza operacyjnego jest dodanie szeregowo do wejścia rezystora (R_SERIES), tak jak na rysunku 1. W ten sposób powstaje filtr dolnoprzepustowy pierwszego rzędu z charakterystyką częstotliwościową, którą można zarejestrować za pomocą analizatora sieci. Pojemność wejściową można wyliczyć z odpowiedzi częstotliwościowej. Rezystancja R_SERIES przyjmuje zazwyczaj wartości w zakresie od 10 kΩ do 100 kΩ.

Rysunek 1. Za pomocą rezystora szeregowego na wejściu wzmacniacza operacyjnego można zmierzyć pojemność wejściową

Podczas rejestrowania odpowiedzi częstotliwościowej należy upewnić się, że dokładność pomiaru nie jest obniżona przez pojemność pasożytniczą i indukcyjność płytki lub konfigurację pomiarową.

Aby uzyskać minimalną pojemność pasożytniczą należy wybrać wysoką rozdzielczość pomiarową. Zaleca się stosowanie sond FET o małej pojemności (<1 pF).

Pojemność płytki w odniesieniu do uziemienia powinna być również utrzymana na jak najniższym poziomie. Można to osiągnąć poprzez zapewnienie, że poniżej ścieżek sygnałowych i rezystora szeregowego nie ma płaszczyzny masy.

Ponadto należy stosować jak najkrótsze linie i wyprowadzenia (rezystorów), aby uniknąć dodatkowych źródeł błędu, takich jak indukcyjność szeregowa i pasożytnicza.

Rysunek 2 przedstawia możliwą konfigurację testową, wykorzystującą analizator sieci i rozdzielacz mocy.

Rozdzielacz mocy ma za zadanie podzielić sygnał. Sygnał w stosunku 1:1 jest podawany w niezmienionej postaci na wejście analizatora sieci, a także przepuszczany przez wstawiony filtr dolnoprzepustowy na wejście wzmacniacza operacyjnego. Następnie analizator sieci generuje odpowiedź częstotliwościową z różnicy tych dwóch sygnałów.

Rysunek 2. Układ testowy do wyznaczania pojemności wejściowej wzmacniacza operacyjnego

Obliczenia

Do samego pomiaru należy wyznaczyć pojemność pasożytniczą C_STRAY. W tym celu należy dostarczyć sygnał do płytki bez zainstalowanego wzmacniacza operacyjnego. Z otrzymanego wykresu Bode’a oblicza się C_STRAY, tak jak na równaniu 1:

f₁(–3 dB) to częstotliwość spadku o 3 dB zmierzona za pomocą analizatora sieci na płytce bez wzmacniacza operacyjnego, a R_TH1 jest funkcją wstawionej rezystancji szeregowej (R_SERIES), rezystancji zakończenia wejścia (50 Ω) oraz impedancji źródła 50 Ω na rozgałęźniku mocy (ekwiwalent Thévenina):

Następnie, wzmacniacz operacyjny umieszczany jest na płytce.

Ponieważ pojemność pasożytnicza płytki drukowanej jest równoległa do pojemności wejściowej wzmacniacza operacyjnego, równanie 1 uzupełnia się o C_IN, jak pokazano w równaniu 3:

Teraz, f₂(–3 dB) to częstotliwość spadku o 3 dB zmierzona przez analizator sieci na płytce ze wzmacniaczem operacyjnym, a R_TH2 jest funkcją wstawionej rezystancji szeregowej, rezystancji zakończenia wejścia (50 Ω), impedancji wyjściowej rozgałęźnika mocy (50 Ω) oraz impedancji wejściowej trybu wspólnego wzmacniacza operacyjnego (R_CM):

Ogólnie, dla wzmacniaczy operacyjnych z wejściami CMOS, R_SERIES << R_CM. Zatem R_TH2 ≈ R_TH1, a równanie 3 może być przekształcone, jak to pokazano w równaniu 5:

Następnie można wyznaczyć pojemność wejściową wzmacniacza operacyjnego, korzystając z równań 1 i 5.

Wnioski

Pojemność wejściowa wzmacniacza operacyjnego może być trudna do zmierzenia. Często jest ona rzędu pojedynczych pF, a efekty pasożytnicze w układzie pomiarowym zniekształcają wynik. Dysponując niewielkim układem testowym i odpowiednim sprzętem pomiarowym składającym się z analizatora sieci i rozdzielacza mocy, łatwo jest wyznaczyć pojemność wejściową, określając najpierw pojemność pasożytniczą (błędy konfiguracji testowej), a następnie określając łączną pojemność (pojemność wejściowa i pojemność pasożytnicza) obwodu wzmacniacza operacyjnego poprzez odpowiedź częstotliwościową. Przy pomocy przedstawionych powyżej równań można obliczyć rzeczywistą pojemność wejściową wzmacniacza operacyjnego.