Измерители динамических параметров операционных усилителей Сапунов Евгений Владимирович

Введение к работе

Актуальность темы. Повышение быстродействия и расширение полосы частот преобразуемых сигналов являются одной из главных тенденций развития приборостроения. При входном контроле компонентов электронной техники на первый план выдвигается проверка соответствия динамических параметров компонентов требованиям технических условий. У интегральных операционных усилителей (ОУ) – важнейших элементов современной аналоговой схемотехники – необходимо контролировать электрические параметры, характеризующие их работу в динамическом режиме: частоту единичного усиления, запас устойчивости по фазе, максимальные скорости нарастания и спада выходного напряжения. Эти параметры характеризуют возможность использования ОУ в электронных схемах с высокочастотными гармоническими сигналами и широкополосными импульсными сигналами.

Средства измерения параметров ОУ в разное время были разработаны фирмами Information Scan Technology, Inc. (США), ООО «ФОРМ» (г. Москва), АО «ЦНИИИА» (г. Саратов), ОАО «НИИ «Контрольприбор» (г. Пенза). Разработанные этими фирмами приборы позволяют определять электрические параметры ОУ, характеризующие их работу в статическом режиме, но не предназначены для измерения динамических параметров ОУ. Для разработки измерителей этих параметров могут быть использованы теоретические положения и практический опыт построения средств измерений электрических параметров изделий электронной техники, изложенные в трудах В. Ю. Кнеллера, К. Л. Кул и ко в с ко г о , Б. Я. Лихтциндера, А. И. Мартяшина, Б. В. Цыпина, П. П. Чуракова, Э. К. Шахова, В. М. Шляндина и ряда других отечественных ученых.

Аппаратная реализация измерителей динамических параметров ОУ с использованием современной программно управляемой аналого-цифровой элементной базы обеспечивает высокие точность и быстродействие. Алгоритмическое и программное обеспечение измерителей обеспечивает их широкие функциональные возможности. Автоматизация операций подготовки и проведения измерений, обработки и представления их результатов позволяет не только уменьшить трудоемкость измерений, но и снизить вероятность пропуска дефекта за счет ошибок субъективного характера, обусловленных быстрой утомляемостью оператора. Разработка имеющих перечисленные свойства измерителей динамических параметров ОУ является актуальной задачей.

Цель работы – повышение точности и быстродействия средств измерений динамических параметров операционных усилителей общего применения.

Основные задачи исследования:

1. Определить пути повышения точности и быстродействия измерителей динамических параметров ОУ; разработать структуры измерителей, отвечающих этому требованию.

2. Разработать алгоритм и методику измерения частоты единичного усиления ОУ с заменой операции сравнения продетектированных выходного и входного напряжений ОУ с помощью компаратора на операцию непосредственного измерения отношения амплитуд этих напряжений.

3. Исследовать процесс установления рабочего температурного режима ОУ после включения питания.

4. Разработать методику автоматизированной обработки результатов измерений динамических параметров ОУ.

5. Разработать методики и стенды для экспериментальных исследований узлов измерителей динамических параметров ОУ.

6. Провести лабораторные испытания с целью определения характеристик разработанных измерителей динамических параметров ОУ и подготовить их к внедрению.

Объектом исследования являются средства измерений динамических параметров операционных усилителей.

Предметом исследования являются измерители частоты единичного усиления и запаса устойчивости ОУ по фазе, а также максимальных скоростей нарастания и спада выходного напряжения ОУ.

Методы исследования. Поставленные задачи решались с применением методов расчета электрических цепей, математического моделирования. Результаты, полученные теоретически, проверялись и были подтверждены с применением средств математического и схемотехнического моделирования, а также в результате экспериментальных исследований.

Научная новизна.

1. Разработаны алгоритм и методика измерения частоты единичного усиления ОУ с дискретным изменением частоты тестового сигнала при итерационном сужении диапазона поиска до получения заданного разрешения по частоте, отличающиеся тем, что в процессе поиска выходное напряжение преобразователя отношения амплитуд выходного и входного напряжений ОУ сравнивается с найденным из градуировочной характеристики преобразователя значением напряжения, соответствующим единичному отношению напряжений; по этому значению напряжения, а также отсчетам выходного напряжения преобразователя и частотам на верхней и нижней границах диапазона поиска вычисляется частота единичного усиления ОУ.

2. Предложена структура измерителя частоты единичного усиления и запаса устойчивости ОУ по фазе, отличающаяся тем, что с целью повышения быстродействия осуществляется одновременное преобразование отношения амплитуд и разности фаз выходного и входного напряжений ОУ в постоянные напряжения с помощью двух широкополосных демодулирующих логарифмических усилителей, выходы которых подключены к входам вычитающего устройства и фазового детектора перемножающего типа.

3. Предложена методика прогнозирования времени установления рабочего температурного режима ОУ после включения питания, позволяющая обоснованно выбирать ОУ для различных применений.

4. Разработаны методика для экспериментального определения градуи-ровочных характеристик преобразователя отношения амплитуд и разности фаз сигналов в постоянные напряжения, а также стенд для исследования разработанного измерителя максимальных скоростей нарастания и спада выходного

напряжения ОУ с использованием интегрального преобразователя интервала времени в код.

Практическая значимость.

5. Разработаны, изготовлены в виде действующих макетов и экспериментально исследованы структуры измерителей максимальных скоростей нарастания и спада выходного напряжения ОУ, частоты единичного усиления и запаса устойчивости ОУ по фазе. Разработанные измерители могут входить в состав универсального аппаратно-программного комплекса для измерения всех динамических параметров ОУ или использоваться в виде самостоятельных функционально законченных измерительных приборов.

6. Составлено необходимое методическое, алгоритмическое и программное обеспечение функционирования измерителей, разработаны методики и стенды для их экспериментального исследования.

7. В результате экспериментальных исследований подтверждена возможность использования разработанных измерителей для определения динамических параметров ОУ при их входном контроле.

На защиту выносятся:

8. Алгоритм и методика измерения частоты единичного усиления ОУ с дискретным изменением частоты тестового сигнала при итерационном сужении диапазона поиска с возможностью выбора необходимого разрешения по частоте.

9. Структура измерителя частоты единичного усиления и запаса устойчивости ОУ по фазе с одновременным преобразованием отношения амплитуд и разности фаз выходного и входного напряжений ОУ в постоянные напряжения.

10. Методика экспериментального определения градуировочных характеристик преобразователя отношения амплитуд и разности фаз сигналов в постоянные напряжения.

11. Результаты лабораторных испытаний измерителя скорости нарастания (спада) выходного напряжения ОУ и измерителя частоты единичного усиления и запаса устойчивости ОУ по фазе.

Реализация результатов работы. Разработанные методики, структуры, алгоритмы функционирования и программное обеспечение используются в подразделении входного контроля электронной компонентной базы ФГУП ФНПЦ «ПО «Старт» им. М. В. Проценко» (г. Заречный, Пензенская область).

Результаты работы использованы при выполнении исследований по Гранту РФФИ (проект № 16-38-00233), а также в учебном процессе в виде разделов курса «Техническая диагностика радиоэлектронных средств», при курсовом и дипломном проектировании по специальности 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы» на кафедре «Радиотехника и радиоэлектронные системы» ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет».

Апробация работы. Материалы диссертационной работы прошли апробацию на International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON 2015, Omsk; на Международной научно-технической конференции «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» (Рязань, 2012); на XI, XII, XIII Международных научно-практических

конференциях «Инженерные и научные приложения на базе технологий National Instruments» (Москва, 2012, 2013, 2014); на Международном симпозиуме «Компьютерные измерительные технологии» (Москва, 2015); на Международной научно-технической конференции «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» (Пенза, 2012, 2014, 2016); на Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2013, 2014, 2015, 2016).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 работы, из них 7 в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 в издании из базы данных Scopus, 1 патент на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 103 наименований и 1 приложения. Объем работы: 186 листов текста, включающего 46 таблиц и 79 рисунков.