Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор средств измерений динамических параметров операционных усилителей (ОУ) 11
1.1 Статические и динамические параметры ОУ 11
1.2 Обзор средств измерений и контроля параметров ОУ
1.2.1 Краткий обзор разработок в области входного контроля ОУ 13
1.2.2 Систематизация средств входного контроля ОУ 13
1.2.3 Средства проверки работоспособности ОУ 15
1.2.4 Промышленные тестеры аналоговых интегральных схем 19
1.2.5 Универсальный стенд для измерения статических и динамических параметров ОУ
1.3 Требования к разрабатываемым измерителям динамических параметров ОУ 24
1.4 Использование результатов измерений динамических параметров
ОУ для создания их макромоделей 25
Выводы по главе 1 31
Глава 2 Разработка измерителей динамических параметров ОУ 33
2.1 Измеритель максимальной скорости нарастания и спада выходного напряжения ОУ 33
2.2 Измеритель частоты единичного усиления ОУ
2.2.1 Обоснование выбора метода измерения частоты единичного усиления ОУ 41
2.2.2 Методика измерения частоты единичного усиления ОУ 44
2.2.3 Алгоритм управления процессом измерения частоты единичного усиления ОУ 48
2.2.4 Алгоритм входного контроля ОУ по частоте единичного усиления 54
2.2.5 Структура измерителя частоты единичного усиления ОУ 56
2.3 Измеритель запаса устойчивости ОУ по фазе 57
2.3.1 Оценка устойчивости ОУ 57
2.3.2 Структура измерителя запаса устойчивости ОУ по фазе 64
Выводы по главе 2 67
Глава 3 Разработка аппаратно-программных комплексов (АПК) для измерения динамических параметров ОУ 69
3.1 Принципы построения АПК для измерения динамических параметров ОУ 69
3.2 Анализ возможности построения АПК на базе модульной платформы National Instruments 71
3.3 Структуры АПК для измерения динамических параметров ОУ на основе платы сбора данных
3.3.1 АПК на основе платы сбора данных с генератором сигналов, управляемым напряжением 73
3.3.2 АПК на основе платы сбора данных с генератором сигналов, управляемым кодом 3.4 Обоснование применения в АПК генератора прямого цифрового синтеза (DDS) 82
3.5 АПК на основе генератора прямого цифрового синтеза (DDS) 87
Выводы по главе 3 94
Глава 4 Исследование узлов АПК для измерения динамических параметров ОУ 95
4.1 Методика оценки динамических свойств выходного аналогового канала платы сбора данных 95
4.2 Задачи исследования измерителя скорости нарастания выходного напряжения ОУ. 101
4.3 Исследование преобразователя скорости нарастания выходного напряжения ОУ в интервал времени 103
4.4 Моделирование преобразователя интервала времени в постоянное напряжение 110
4.5 Экспериментальное исследование преобразователя интервала времени в постоянное напряжение 119
4.6 Экспериментальное исследование АПК для измерения
динамических параметров ОУ 129
Выводы по главе 4 131
Заключение. Основные результаты и выводы по работе 132
Список литературы
- Краткий обзор разработок в области входного контроля ОУ
- Обоснование выбора метода измерения частоты единичного усиления ОУ
- Структуры АПК для измерения динамических параметров ОУ на основе платы сбора данных
- Исследование преобразователя скорости нарастания выходного напряжения ОУ в интервал времени
Введение к работе
Актуальность темы. Операционные усилители (ОУ) являются важнейшими элементами современной аналоговой схемотехники. На предприятиях, производящих бытовую электронику, при входном контроле обычно ограничиваются проверкой условной работоспособности ОУ. При производстве изделий специального назначения требуется контроль электрических параметров комплектующих элементов, в том числе ОУ, в объеме, установленном техническими условиями. Практическая реализация регламентированных стандартами методов измерений параметров ОУ с использованием комплекта отдельных измерительных приборов постоянного и переменного тока низких и высоких частот требует больших затрат времени на коммутацию, настройку приборов и считывание их показаний. Такая технология применима только для выборочного исследования отдельных экземпляров микросхем и не может быть использована для массового входного контроля и отбора микросхем с заданными значениями параметров для наиболее критичных применений. Для автоматизации измерения параметров ОУ необходимо создание аппаратно-программных комплексов, многофункциональность и гибкость которых обеспечиваются за счет программного управления аппаратной частью, программной обработки и представления результатов измерений.
Значительный вклад в развитие средств производственного контроля электрических параметров изделий электронной техники внесли работы В. М. Шляндина, А. И. Мартяшина, Е. П. Осадчего, Э. К. Шахова, П. П. Чу-ракова, Б. В. Цыпина, Б. Я. Лихтциндера, Н. П. Байда, К. Л. Кул и ко в с ко го и ряда других отечественных ученых. Разработаны общие принципы построения средств контроля, определены способы автоматизации технологических процессов контроля. Для входного контроля компонентов широко применяются измерительные приборы и системы, выпускаемые фирмами Tektronix, Agilent Technologies и Teradyne (США), ООО «ФОРМ» и ООО «Совтест АТ Е » (Россия). Эти приборы и системы имеют высокую производительность и широкие диапазоны контролируемых параметров, однако предназначены для контроля только статических параметров ОУ (например, имеющийся на предприятиях приборостроения тестер FORMULA 2К).
Поэтому актуальна задача разработки аппаратно-программного комплекса для автоматизированного измерения динамических параметров ОУ, характеризующих возможность использования ОУ для преобразования широкополосных, например импульсных, сигналов.
Цель работы – разработка аппаратно-программного комплекса, позволяющего в автоматизированном режиме измерять важнейшие динамические параметры операционных усилителей: максимальную скорость нарастания выходного напряжения, частоту единичного усиления и запас устойчивости по фазе на этой частоте.
Основные задачи исследования:
-
Разработать структуры измерителей важнейших динамических параметров ОУ: максимальных скоростей нарастания и спада выходного напряжения ОУ; частоты единичного усиления ОУ; запаса устойчивости ОУ по фазе на частоте единичного усиления.
-
Разработать методику измерения частоты единичного усиления ОУ, позволяющую автоматизировать процесс измерения.
-
Разработать структуру аппаратно-программного комплекса (АПК) для автоматизированного измерения динамических параметров ОУ.
-
Исследовать узлы разрабатываемого АПК и определить их технические характеристики.
-
Разработать, изготовить и исследовать макет АПК для измерения динамических параметров ОУ.
Объектом исследования являются операционные усилители и их динамические свойства.
Предметом исследования является аппаратно-программный комплекс для автоматизированного измерения динамических параметров ОУ: максимальной скорости нарастания выходного напряжения, частоты единичного усиления и запаса устойчивости по фазе.
Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы математического анализа, теории электрических цепей, схемотехнического моделирования электронных схем. Основные теоретические результаты проверены и подтверждены путем математического и схемотехнического моделирования, а также экспериментальными исследованиями. В работе использован опыт разработки средств измерений и контроля, накопленный в Пензенском государственном университете.
Научная новизна:
1. Разработаны структуры измерителей динамических парамет
ров ОУ:
– максимальных скоростей нарастания и спада выходного напряжения ОУ;
– частоты единичного усиления ОУ; – запаса устойчивости ОУ по фазе.
-
Разработана структура АПК для измерения динамических параметров ОУ с использованием программно управляемого формирователя измерительных сигналов на основе генератора прямого цифрового синтеза (DDS).
-
Предложена методика автоматизированного измерения частоты единичного усиления ОУ с дискретным изменением частоты тестового сигнала, подаваемого на исследуемый ОУ для оценки его коэффициента усиления, начиная с минимально допустимого значения частоты единичного усиления, с последующим удвоением частоты, а затем итерационным сужением диапазона поиска частоты, при которой коэффициент усиления ОУ становится меньше единицы при заданном разрешении по частоте.
4. Разработаны алгоритмы управления процессами измерения частоты единичного усиления ОУ и входного контроля ОУ с разбраковкой микросхем на группы по значениям частоты единичного усиления.
Практическая значимость:
-
Разработаны и экспериментально исследованы структуры измерителей максимальной скорости нарастания и спада выходного напряжения ОУ, частоты единичного усиления и запаса устойчивости по фазе ОУ, которые могут использоваться в виде самостоятельных измерительных приборов или входить в состав многофункционального аппаратно-программного комплекса для измерения параметров ОУ.
-
Разработан и экспериментально исследован АПК для измерения динамических параметров ОУ.
-
Разработаны алгоритмы функционирования и программное обеспечение каждого из блоков и АПК в целом.
4. Разработаны методики моделирования и экспериментального
исследования блоков АПК с целью определения их технических характе
ристик.
На защиту выносятся:
1. Структуры измерителей динамических параметров ОУ:
– структура измерителя максимальных скоростей нарастания и спада
выходного напряжения ОУ, отличающаяся тем, что с помощью двух компараторов формируются импульсы с длительностями, пропорциональными времени нарастания и спада между уровнями 0,1 и 0,9 выходного напряжения ОУ, полученные интервалы времени преобразуются в постоянные напряжения, а затем в цифровые коды;
– структура измерителя частоты единичного усиления ОУ, 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;
– структура измерителя запаса устойчивости ОУ по фазе, отличающаяся тем, что разность фаз между входным и выходным напряжениями ОУ на частоте единичного усиления преобразуется с помощью двух компараторов в длительность интервала времени, полученный интервал времени преобразуется в постоянное напряжение, а затем в цифровой код.
-
Структура АПК для измерения динамических параметров ОУ, отличающаяся использованием программно управляемого формирователя тестовых сигналов на основе генератора прямого цифрового синтеза (DDS).
-
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, при которой коэффициент усиления ОУ становится меньше единицы при заданном разрешении по частоте.
Реализация результатов работы. Материалы диссертационной работы использованы в ФГУП ФНПЦ «ПО «Старт» им. М. В. Проценко» (г. Заречный, Пензенская обл.) в подразделении входного контроля покупных комплектующих изделий. Результаты исследований использованы при выполнении работ по гранту РФФИ (проект № 16-38-00233), а также в учебном процессе по дисциплине «Техническая диагностика радиоэлектронных средств» на кафедре «Радиотехника и радиоэлектронные системы» ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены для обсуждения на Международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments» (Москва, 2008, 2009, 2010); Международной научно-практической конференции «Инженерные и научные приложения на базе технологий National Instruments» (Москва, 2011, 2012, 2013); Международной научно-технической конференции «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» (Рязань, 2012); Международной научно-технической конференции «Датчики и системы: методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» (Пенза, 2012); Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2010, 2012, 2013, 2014, 2016).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 работ, из них 6 – в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 121 наименования и 1 приложения. Объем работы: 149 листов машинописного текста, включающего 12 таблиц и 66 рисунков.
Краткий обзор разработок в области входного контроля ОУ
В связи с быстрым расширением номенклатуры и области применения интегральных операционных усилителей (ОУ) возросла потребность в средствах массового входного контроля параметров этих важнейших активных элементов современной аналоговой электроники. Серийно выпускаемое оборудование для контроля аналоговых интегральных схем, включая ОУ, представлено разработками компании «ФОРМ» (г. Москва) [11], Центрального НИИ измерительной аппаратуры (г. Саратов) [12], НИИ «Контрольпри-бор» (г. Пенза) [13], американских компаний Information Scan Technology Inc. [14], Analog Devices, Inc. [15], Texas Instruments [16].
Отличительной особенностью ОУ является многочисленность параметров, характеризующих их работу в статическом и динамическом режимах. Для различных областей применений ОУ разработано множество разновидностей ОУ, параметры которых изменяются в широких пределах. Соответственно, для измерения и контроля параметров ОУ разных типов необходимы средства, учитывающие специфику данных ОУ. Требования к диапазонам измеряемых параметров и устанавливаемым пределам допускаемой погрешности измерений определяются назначением средств измерения и контроля, а также решаемыми задачами [17].
Среди технической литературы, содержащей описание многочисленных параметров, характеризующих работу ОУ в статическом и динамическом режимах, можно отметить книги [18, 19]. Среди научных исследований, посвященных измерению и контролю параметров ОУ, можно отметить работы Цыпина Б. В., Казакова В. А., Светлова А. В.
Глубина входного контроля электронных компонентов, в том числе ОУ, каждым предприятием выбирается в соответствии с характером, областью применения и объемом выпускаемой продукции [20].
На предприятиях, производящих бытовую электронику, можно ограничиться оценкой работоспособности ОУ с помощью специализированных тестеров, позволяющих отбраковать полностью неработоспособные микросхемы. Даже такой минимальный контроль ОУ позволяет повысить надежность и процент выхода годных изделий. В то же время низкая стоимость используемого при этом оборудования и малая трудоемкость технологических операций контроля не приводят к существенному повышению себестоимости изделий, что имеет большое значение в условиях ужесточения конкуренции на рынке электроники.
При производстве изделий специального назначения, в том числе аэрокосмической и военной техники, электронных систем ядерной энергетики, требования к надежности абсолютны. Тяжесть возможных последствий сбоев функционирования таких изделий не соизмерима со стоимостью их производства [21]. Высокая надёжность специальной техники обеспечиваются жёстким контролем технологических процессов и качества продукции на всех этапах производства, начиная с входного контроля электронных компонентов. При этом трудоемкость и затраты средств на проведение проверочных и контрольно-измерительных операций не являются сдерживающим фактором. Входной контроль ОУ при производстве изделий специального назначения предполагает: – получение количественных оценок (измерение) всех параметров ОУ, существенных для функционирования изделия; – сравнение измеренных значений параметров ОУ их с номинальными (или предельными) значениями, указанными в ТУ на микросхемы интегральных ОУ; – рассортировка микросхем на группы по измеренным значениям параметров; – отбор микросхем для наиболее критичных применений. Для выполнения указанных операций необходимы не тестеры, кон-14 тролирующие работоспособность ОУ, а средства, выполняющие измерения параметров ОУ в соответствии с методами, законодательно установленными соответствующими ГОСТами. К сожалению, на предприятиях приборостроения, как правило, имеются только средства измерений статических параметров аналоговых микросхем, включая ОУ. Динамические параметры ОУ не контролируются, контроль получается не полный. Поэтому предложенная автором систематизация средств входного контроля ОУ [22] включает в себя не два, а три уровня глубины контроля: 1 – проверка работоспособности ОУ; 2 – контроль электрических параметров ОУ в объеме, ограниченном возможностями имеющихся на предприятиях промышленных тестеров аналоговых интегральных схем; 3 – контроль электрических параметров ОУ в объеме, установленном ТУ на микросхемы.
Обоснование выбора метода измерения частоты единичного усиления ОУ
Выходные напряжения компараторов 1 и 2 поступают на входы формирователя импульсов, на другие входы которого подаются стабилизированное постоянное опорное напряжение Uоп 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 UФИ1(t) и со UФИ2(t) с амплитудой Uоп, периодом следования T и длительностями, ответственно равными времени нарастания tф и времени спада tсп выходного напряжения ОУ (см. рис. 2.2). Напряжения /ФИ 1(0 и /ФИ2(0 с выходов формирователя импульсов поступают на входы измерителей среднего значения напряжения ИСЗН1 и ИСЗН2 с коэффициентами передачи КИСЗН, выходные постоянные напряжения которых пропорциональны соответственно времени нарастания Тф и времени спада тсп выходного напряжения ОУ: п ИСЗН-оп-Тф 26) и ИСЗН1 = ; (. т иИСЗН 2 = г . (2.7) Программно управляемый коммутатор выходных напряжений измерителей среднего значения напряжения поочередно подключает выходы ИСЗН1 и ИСЗН2 ко входу масштабирующего усилителя, коэффициент усиления КМУ которого выбирается, исходя из условия согласования уровня выходного напряжения ИСЗН1, ИСЗН2 с диапазоном входных напряжений АЦП. Выходные напряжения масштабирующего усилителя ИСЗН-МУ-оп-ф иМУ1= , (2.8) Т (7МУ2 = (2.9) Т оцифровываются с помощью АЦП и в виде цифрового кода заносятся в персональный компьютер. Расчетные соотношения для определения значений максимальных скоростей нарастания V[/вых max ф и спада Уивых max сп выходного напряжения ОУ выводятся путем подстановки в формулы (2.1) и (2.2) выражений для Тф и тсп, полученных из формул (2.8) и (2.9):
KИСЗН KМУ Uо откуда после подстановки получаются формулы, по которым компьютерная программа обработки результатов измерений вычисляет искомые значения максимальных скоростей нарастания и спада выходного напряжения ОУ: выхтахф-ИС Иу С2-12) к/выхтахсп тт \ -L J Таким образом, поставленная цель достигнута. В процессе экспериментального исследования данной структуры найдено решение, позволяющее повысить быстродействие измерителя максимальных скоростей нарастания и спада выходного напряжения ОУ за счет устранения переходных процессов, возникающих при поочередном подключении с помощью программно управляемого коммутатора выходов измерителей среднего значения напряжения к входу масштабирующего усилителя с коэффициентом усиления КМУ. Предложена структура (рис. 2.3), содержащая два идентичных постоянно включенных канала аналого-цифрового преобразования (АЦП1 и АЦП2) напряжений, пропорциональных соответственно времени нарастания Тф и времени спада тсп выходного напряжения ОУ с масштабирующими усилителями 1 и 2 с одинаковыми коэффициентами усиления КМУ. Проведенными исследованиями установлено, что составляющая погрешности измерения, обусловленная неидентичностью характеристик АЦП и масштабирующих усилителей не превышает 2%.
В качестве вывода: разработанные структуры (рис. 2.1 и 2.3) измерителя максимальных скоростей нарастания и спада выходного напряжения ОУ, отличающиеся использованием аналогового преобразования интервалов времени нарастания и спада выходного напряжения ОУ в постоянные напряжения, позволяют решить поставленную задачу при простой реализации и программном управлении процессом измерения. Цвх()
Согласно ГОСТ 23089.13-86 [62] возможно измерение частоты единичного усиления ОУ двумя методами в зависимости от характера спада его частотной характеристики. Если ОУ имеет спад АЧХ в области высоких частот 20 дБ на декаду, то измерение может быть выполнено по первому методу на фиксированной частоте в пределах декады более низкой, чем искомая частота единичного усиления, с последующим определением искомой частоты путем экстраполяции. Данный метод обладает высокой производительностью даже при ручной реализации измерительного процесса, т. к. требует от оператора всего нескольких действий с последующим расчетом. Однако если спад частотной характеристики ОУ на высоких частотах не равномерный и его крутизна отличается от 20 дБ на декаду, то примене Рис. 2.4. АЧХ ОУ OP27 ние расчетного метода даст неверный результат. К числу ОУ, имеющих такие АЧХ, относятся широко распространенные микросхемы фирмы Analog Devices OP27 [63] (АЧХ – на рис. 2.4), AD797 [64] (АЧХ – на рис. 2.5), ОУ OP37 фирмы Maxim [65], ОУ LM118, LM218, LM318 производства фирм Texas Instruments [66] и National Semiconductor [67], ОУ LT1028 и LT1128 фирмы Linear Technology [68] (АЧХ – на рис. 2.6).
Структуры АПК для измерения динамических параметров ОУ на основе платы сбора данных
При оценке резонансного пика Mр и перерегулирования s на вход схемы подаются соответственно синусоидальное и ступенчатое напряжения с амплитудой не более 100 мВ с целью обеспечения работы ОУ в линейном режиме.
В качестве количественной характеристики устойчивости ОУ может выступать запас устойчивости по фазе на частоте единичного усиления. 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. В общем случае однозначной аналитической зависимости между запасом устойчивости по фазе и упомянутыми выше резонансным пиком и перерегулированием не существует. Для некоторых частных случаев име ются номограммы, позволяющие установить взаимные соответствия между этими параметрами [69].
Для того, чтобы продемонстрировать характер зависимостей между тремя названными оценками устойчивости: запасом устойчивости по фазе, резонансным пиком и перерегулированием, рассмотрим результаты проведенного автором исследования влияния глубины частотной коррекции ОУ 544УД2 на его характеристики в частотной и временной областях. С использованием упомянутого в разделе 1.4 быстродействующего цифрового осциллографического модуля NI-5124 фирмы National Instruments [43], в соответствии с требованиями соответствующих ГОСТ, проведены измерения динамических параметров ОУ 544УД2 для трех вариантов коррекции его частотной характеристики: – полная внутренняя коррекция (выводы для подключения внешнего корректирующего конденсатора замкнуты между собой); – емкость внешнего корректирующего конденсатора Cк = 39 пФ ; – емкость внешнего корректирующего конденсатора Cк = 27 пФ .
При подключении внешнего корректирующего конденсатора Cк к соответствующим выводам микросхемы результирующая емкость коррекции определяется как результат последовательного соединения емкости Cк и емкости встроенного корректирующего конденсатора, равной 15 пФ [76, принципиальная электрическая схема ОУ 544УД2]. Значения результирующей емкости приведены в таблице 2.2, где также находятся значения динамических параметров ОУ, полученные в результате измерений.
С помощью программы Model Editor системы проектирования OrCAD [36] созданы три макромодели ОУ с динамическими параметрами, приведенными в таблице 2.2.
С помощью программы PSpice A/D системы проектирования Or-CAD выполнено моделирование инвертирующих усилителей с единичным коэффициентом усиления, построенных на ОУ с разной глубиной частотной коррекции, представленных созданными макромоделями. Таблица 2. Коррекциячастотнойхарактеристики Выводы коррекции замкнуты Емкость внешней коррекции Cк = 39 пФ Емкость внешней коррекции Cк = 27 пФ
С целью оценки относительной устойчивости усилителей по амплитудно-частотной характеристике на их входы подается синусоидальный сигнал с амплитудой 100 мВ и частотой, изменяющейся от 100 кГц до 30 МГц. АЧ Х усилителей в этом диапазоне частот приведены на рисунке 2.14, из которого видно, что с уменьшением результирующей емкости коррекции частотной характеристики быстро возрастает резонансный пик, определяемый в соответствии с формулой (2.16), и уменьшается запас устойчивости.
Рис. 2.14. АЧ Х усилителей с вариацией глубины частотной коррекции ОУ С целью оценки относительной устойчивости усилителей по временной диаграмме процесса установления выходного напряжения на их входы подается последовательность двухполярных прямоугольных импульсов с амплитудой 100 мВ. Временные диаграммы выходных напряжений усилителей приведены на рисунке 2.15, из которого видно, что с уменьшением результирующей емкости коррекции частотной характеристики возрастает перерегулирование, определяемое в соответствии с формулой (2.17), и уменьшается запас устойчивости.
Из графиков, приведенных на рис. 2.14, 2.15 видно, что даже незначительное (до 10%) изменение емкости коррекции частотной характеристики приводит к заметному изменению всех трех динамических параметров ОУ: скорости нарастания выходного напряжения, частоты единичного усиления и запаса устойчивости ОУ по фазе (см. данные, приведенные в табл. 1.5). Это позволяет утверждать, что одной из причин различия динамических свойств у разных экземпляров микросхем в пределах одной партии является разброс емкостей встроенных корректирующих конденсаторов, обусловленный нестабильностью режимов технологических процессов производства микросхем.
Приведенные результаты исследования показывают, что измерение запаса устойчивости ОУ по фазе позволяет производить рассортировку ОУ по степени их склонности к самовозбуждению. Для сохранения устойчивости ОУ во всех режимах работы в широком диапазоне вариации условий применения следует отбирать ОУ с запасом устойчивости по фазе не менее 45.
Метод измерения запаса устойчивости по фазе ср0, в соответствии с ГОСТ 23089.16-90 [77], основан на измерении разности фаз ср между входным и выходным напряжениями ОУ на частоте единичного усиления ОУ и последующем вычислении запаса устойчивости по фазе: ф0=180-ф. (2.18)
Для измерения запаса устойчивости по фазе на вход исследуемого ОУ с генератора подается синусоидальное напряжение с частотой единичного усиления /j, измеренной ранее. Сигналы с генератора и с выхода проверяемого ОУ выводятся одновременно на экран двухлучевого (двухка-нального) осциллографа или подаются на входы электронного фазометра, где производится измерение разности фаз ср между входным и выходным напряжениями. При осциллографическом измерении разность фаз оценивают по временной задержке At (рис.2.16) выходного напряжения ОУ относительно входного напряжения: ф = 360 , (2.19) Т где Т - период входного напряжения с частотой единичного усиления ОУ. В качестве примера можно отметить, что упомянутый в разделе 1.2.4 стенд для исследования операционных усилителей [34, 35] использовался совместно с двухканальным осциллографом С1-99. Временная задержка выходного напряжения ОУ оценивалась по масштабно-координатной сетке на экране осциллографа с погрешностью порядка 5%. Измерение запаса устойчивости по фазе требовало большего времени, чем измерение других статических и динамических параметров ОУ. Поэтому осциллографиче-ский способ измерения запаса устойчивости ОУ по фазе из-за низкой производительности пригоден только для лабораторных исследований.
Исследование преобразователя скорости нарастания выходного напряжения ОУ в интервал времени
Входящий в состав АПК для измерения динамических параметров ОУ программно управляемый многофункциональный генератор сигналов должен отвечать следующим требованиям: – иметь полосу рабочих частот, более широкую, чем диапазон частот единичного усиления ОУ общего назначения (на настоящий момент от 1 до 20 МГц); – обеспечивать высокую точность установки и высокую стабильность поддержания частоты сигнала; – иметь малое время перестройки по частоте; – формировать гармонические и импульсные сигналы как низких, так и высоких частот; – иметь малый уровень побочных гармоник в полосе рабочих частот.
При разработке АПК для измерения динамических параметров ОУ автором в качестве формирователя измерительных сигналов использовался генератор прямого цифрового синтеза (DDS). Уникальность DDS заключается в том, что генерируемый сигнал синтезируется со свойственной цифровым системам точностью. Генераторы DDS находят все более широкое применение, поскольку по сравнению с обычными аналоговыми синтезаторами частот обладают целым рядом преимуществ [93, 94]: – цифровое управление частотой и фазой выходного сигнала, предельно упрощающее интегрирование генераторов DDS в состав программно управляемых средств измерений, аппаратно-программных комплексов; – широкий диапазон частот – от долей герц до десятков и даже сотен мегагерц; – высокое разрешение по частоте (до микрогерц) и фазе (до десятых долей градуса); – высокая скорость перестройки частоты (или фазы), которая ограничивается лишь быстродействием его цифрового интерфейса [83]; – перестройка по частоте без разрыва фазы, без выбросов и переходных процессов установления выходного напряжения; – отсутствуют явления старения, температурного и временного дрейфа.
Устройство формирования измерительных сигналов с применением технологии DDS более функционально, чем аналоговый синтезатор, т. к. его параметрами можно непосредственно управлять кодом, формируемым программным обеспечением АПК; для формирования сигнала с заданной частотой не требуется никаких промежуточных преобразований.
К недостаткам DDS можно отнести большое количество побочных гармоник, возникающих в процессе формирования сигнала, дискретность установки частоты, а также неравномерность амплитудно-частотной характеристики на протяжении всего диапазона рабочих частот. Эти недостатки генератора DDS не являются критическими при его использовании в составе АПК для измерения динамических параметров ОУ.
Точностные характеристики формирования выходного сигнала DDS определяется характеристиками генератора тактового сигнала. Можно выделить три основные характеристики генератора тактового сигнала, влияющие на характеристики генератора DDS: нестабильность частоты, джиттер, фазовый шум (относительно уровня несущей). Основным источником фазовых шумов является генератор тактового сигнала DDS. Фазовый шум уменьшается в процессе деления частоты в DDS. Фазовый шум выходного сигнала DDS теоретически меньше фазового шума тактового сигнала на 201ogтакт дБ. При отклонении частоты выход выходного сигнала на 1 кГц значение фазового шума DDS составляет -130 дБ/Гц относительно частоты несущей. Нестабильность частоты выходного сигнала DDS равна относительному отклонению частоты тактового сигнала. При делении частоты джит-тер становится меньше. Таким образом, используя для тактирования схемы DDS опорный генератор фирмы EPSON SG-8002CA/PHB [95] возможно получить DDS с нестабильностью выходной частоты: DDS =Д такт Хт =±1,35-10" Хб= ±8,1-10" Гц, где А/такт - нестабильность частоты тактового генератора; т - коэффициент умножения частоты; MDDS- нестабильность выходной частоты. Автором был выбран DDS синтезатор AD9851 фирмы Analog devices [96], имеющий следующие технические характеристики: - максимальная тактовая частота: 180 МГц; - разрешающая способность ЦАП: 10 бит; - длина управляющего слова: 32 бита; - разрешающая способность по частоте (при /такт =180 МГц): 0,04 Гц; - умножение частоты опорного тактового генератора: шестикратное. Данный DDS-синтезатор содержит высокоскоростную логическую схему DDS, 10-и битный ЦАП с двумя резистивными матрицами, а также умножитель тактовой частоты на 6 и высокоскоростной компаратор.
Структурная схема формирователя измерительных сигналов приведена на рис. 3.6. Формирователь измерительных сигналов работает следующим образом. Управляющая программа на персональном компьютере (ПК) формирует управляющую команду, содержащую в себе код частоты, код начальной фазы сигнала, а также коды управления питанием генератора и встроенным умножителем частоты. Преобразователь USB-FiFo формирует управляющие слова, загружаемые системой управления в генератор DDS. Сигнал с выхода генератора проходит через фильтр, подавляющий гармоники тактовой частоты и побочные гармоники выходного сигнала. Так формируются гармонические низкочастотные и высокочастотные измерительные сигналы. Для формирования импульсных измерительных сигналов использован внутренний быстродействующий компаратор, входящий в состав микро схемы AD9851.