Глава 5

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОУ

Провести испытания операционного усилителя - это значит найти, насколько близко этот усилитель приближается к идеалу. Сама суть этого идеала приводит к тому, что измерение функциональных параметров ОУ прямо или косвенно сводится к определению величин отклонения входных напряжений и токов от нуля.

Для получения надежных результатов испытаний необходимы следующие условия: наличие подходящего метода измерения и соответствующих измерительных приборов, а также критичность экспериментатора.

Метод измерения. Необходимым предварительным условием при измерении больщинства параметров ОУ и особенно линейных параметров является поддержание линейного режима работы усилителя. Из-за большого усиления последнего это условие нельзя выполнить без применения обратной связи. Следовательно, каждая измерительная установка представляет собой специальную операционную схему, автоматически предотвращающую насыщение выхода измеряемого усилителя от его собственных усиленных сдвига и шумов. По общепринятой терминологии - это операционная схема с «вырожденной» обратной связью: выход такой схемы сильнейшим образом зависит от свойств (измеряемого) усилителя. Измерительную схему выбирают из условия, чтобы выходная величина была, насколько возможно, пропорциональна отдельно взятому измеряемому параметру.

В этой главе будут изложены способы достижения этого условия. Приводимые измерительные схемы предназначаются ДЛЯ! применения в лаборатории, т. е. там, где измерение параметров ОУ не рутинная операция, а сравнительно редко возникающая задача. Их достоинства - простая и быстрая сборка, использование стандартных измерительных приборов и четкая процедура измерения, сводящая к минимуму возможность грубых ошибок. Однако измерительные процедуры занимают мно-

Последовательность изложения здесь несколько нарушена анализ операционных схем будет дан лишь во второй части книги. Читатель может обратиться к соответствующим разделам, бегло просмотрев имеющую практическую направленность гл. 5, либо пока вообще опустить ее, с тем чтобы вернуться к ней позже.

ГО времени и требуют значительного участия экспериментатора в процессе измерения.

Измерительные приборы и приспособления. Реальные, встречающиеся на практике величины параметров ОУ вызывают в конкретных схемах погрешности, которые должны быть малы, если мы хотим быть уверены в том, что данная схема будет работать правильно. Точно знать величины этих параметров не обязательно, поскольку они влияют лишь на точность членов, определяющих погрешность операционного уравнения.

Данная особенность отличает операционный усилитель, к примеру, от измерительного усилителя и от большинства других аналоговых схем. Это влияет также и на проведение измерений параметров ОУ:

1) удовлетворительна погрешность измерения порядка I- 10%, а часто приемлема и ошибка в 100%. Даже простое определение порядка величины некоторых параметров специализированных ОУ может рассматриваться как успех. Уровень измеряемого сигнала, как правило, очень мал, и у специализированных усилителей он приближается к порогу чувствительности измерительного прибора;

2) подходит или не подходит измерительный прибор, определяется скорее его чувствительностью (разрешающей способностью), чем точностью;

3) в ряде измерительных схем используются усилительные способности самого измеряемого ОУ с тем, чтобы усилить слабые сигналы до уровня, который уже можно измерить обычным способом.

Перечень приборов и приспособлений, необходимых для измерения параметров ОУ, включает в себя:

надежный сигнальный разъем с малыми емкостями и токами утечек;

сдвоенный блок питания с электронной защитой от короткого замыкания с возможностью регулировки напряжения в диапазоне от О до ±24 В относительно общего вывода (земли), обладающий хорошей стабильностью (0,1%), малым уровнем пульсаций (двойная амплитуда 1 мВ) и подходящей импульсной характеристикой (отсутствие колебаний перерегулирования) ;

двухканальный осциллограф с полосой пропускания 100 МГц, чувствительностью 2 мВ/см и быстрым выходом из насыщения (последний параметр обычно не оговаривается в спецификациях, и его необходимо проверять - см. гл. 9; хорошо зарекомендовали себя, например, осциллографы типа 454А или 475 фирмы Tektronix);

З/з-декадный цифровой вольтметр с разрешением 10 мкВ; сдвоенный источник опорных напряжений со стабильно-

стьк> 0,01%, регулируемый в диапазоне от О до ±20 В (вместо такого источника можно использовать второй источник питания) ;

генератор синусоидальных сигналов, выдающий напряжения от 1 мВ до 10 В частотой от 10 Гц до 10 МГц; хорощо, если генератор имеет также выход сигнала прямоугольной формы;

генератор импульсов, способный генерировать импульсы напряжения как положительной, так и отрицательной полярностей с амплитудой от О до ±10 В на 50-Ом нагрузке, длительностью фронта 10 нс и частотой повторения, изменяющейся в диапазоне 0-10 МГц;

два вольтметра переменного тока, измеряющих напряжения в диапазоне от 1 мВ до 10 В в полосе частот 10 Гц-10 МГц;

миллиамперметр постоянного тока, способный измерять ток в диапазоне от 0,1 до 100 мА;

двухкоординатный самописец с чувствительностью 1 - 10 мВ/см и встроенной временной разверткой;

ленточный самописец с диапазонами измерения от 1 мВ до 10 В и скоростью перемещения ленты 10 см/час -10 см/мин;

термостат объемом 10-100 л с программируемым заданием температуры в интервале от -55 до --125°С;

набор прецизионных тонкопленочных и высокоомных (электрометрических) резисторов, полистирольные конденсаторы, вспомогательные ОУ, переключатели, подстроенные потенциометры, танталовые электролитические конденсаторы и другие обычно применяемые пассивные и активные электронные компоненты.

Приведенный выше список измерительных приборов является оптимальным. Разумеется, некоторые требования, касающиеся параметров и ассортимента этих приборов, можно ослабить, но лишь за счет уменьшения удобства и точности измерений. При этом некоторые из измерений вообще не смогут быть проведены.

Экспериментатор. Кроме способности выполнять рутинную работу от экспериментатора ожидается, что он может критически оценить измеренные результаты, сравнить их с опубликованными данными и сопоставить с собственным опытом. Последний может быть извлечен из прошлых ошибок. В качестве руководящих указаний могут служить краткие советы, приведенные в конце данной главы.

5.1, Сдвиг и шумы

Общим отличительным свойством аддитивных параметров (сдвига, шумов) является их активный характер -то, что они проявляют себя как источник сигнала. Такие параметры мо-