Układ do pomiaru zespolonego tłumienia napięcia współbieżnego (CMRR) wzmacniaczy operacyjnych i komparatorów napięcia

• Autorzy: Wiśniewski Jan

Identyfikatory

DOI

10.15199/13.2022.6.4

Warianty tytułu

EN

Circuit for measuring complex Common Mode Rejection Ratio (CMRR) of operational amplifiers and voltage comparators

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy rozważono zagadnienie pomiaru, przy prądzie przemiennym i zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego, współczynnika tłumienia napięcia współbieżnego CMRR (z ang.: Common Mode Rejection Ratio) o dużej wartości rzędu 1·104 ÷ 1·108 (tj. (80 ÷ 160) dB) scalonych wzmacniaczy operacyjnych i komparatorów napięcia. W wyniku dokonanej analizy teoretycznej właściwości metrologicznych układu pomiarowego ustalono związek między mierzonym w układzie stosunkiem napięć zależnym od współczynnika CMRR a innymi parametrami badanego wzmacniacza, w tym zwłaszcza wzmocnieniem napięcia różnicowego, stanowiący podstawę ilościowej oceny błędu metody pomiarowej. Bazując na tych wynikach, zaproponowano całkowicie nowe techniczne rozwiązanie układu pomiarowego wyposażonego w specjalny transformator pomiarowy napięcia przemiennego z wtórnymi uzwojeniami o nawoju trifilarnym, co przyczyniło się do wyeliminowania wpływu skończonej wartości wzmocnienia różnicowego badanego wzmacniacza operacyjnego na mierzoną wartość współczynnika CMRR. Zastosowana metoda synchronicznej (fazoczułej, homodynowej) detekcji napięcia przemiennego pozwala na pomiar zarówno stałoprądowej wartości tego współczynnika (CMRR0), jak i trzydecybelowej częstotliwości załamania jego modułu (f0, CMRR). Ponadto przyczynia się do wyeliminowania wpływu zarówno temperaturowych, jak i czasowych, dryftów stałoprądowych parametrów (napięcie offsetu, prądy polaryzacji i prąd offsetu) badanego wzmacniacza oraz jego własnych szumów (termicznych i strukturalnych) a także zakłóceń zewnętrznych na mierzoną wartość współczynnika CMRR.

EN

The paper considers the problem of measuring, at alternating current and closed feedback loop, the CMRR (Common Mode Rejection Ratio) - damping coefficient with a high value of 1·104 ÷ 1·108 (i.e. (80 ÷ 160) dB) integrated operational amplifiers and voltage comparators. As a result of the theoretical analysis of the metrological properties of the measuring system, a relationship was established between the voltage ratio measured in the system depending on the CMRR coefficient and other parameters of the tested amplifier, including in particular the differential voltage gain, which is the basis for the quantitative evaluation of the measurement method error. Based on these results, a completely new technical solution of the measuring system was proposed, equipped with a special AC voltage measuring transformer with secondary windings with trifilar windings, which contributed to the elimination of the influence of the finite differential gain value of the tested operational amplifier on the measured value of the CMRR coefficient. The applied method of synchronous (phase-sensitive, homodyne) detection of alternating voltage allows the measurement of both the constant-current value of this coefficient (CMRR0) and the three-decibel break-down frequency (f0,CMRR) of its module. In addition, it helps to eliminate the influence of both temperature and time drifts of the DC parameters (offset voltage, polarization currents and offset current) of the tested amplifier and its own noise (thermal and structural) as well as external disturbances on the measured CMRR value.

Słowa kluczowe

PL

układy scalone; miernictwo układów scalonych; wzmacniacze operacyjne; komparatory napięcia

EN

integrated circuits; measurement of integrated circuits; operational amplifiers; voltage comparators

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania
• Rocznik: 2022
• Tom: Vol. 63, Nr 6
• Strony: 29--37
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., rys.

Twórcy

autor

Wiśniewski Jan

• Wydział Informatyki, Elektrotechniki i Automatyki, Uniwersytet Zielonogórski

Bibliografia

• [1] Badźmirowski K., Kołodziejski J., Spiralski L., Stolarski E.: Miernictwo elementów półprzewodnikowych i układów scalonych, WKŁ, Warszawa 1984, ss. 268 ÷ 270.
• [2] Brinson M. E., Faulkner D. J.: New approaches to measurement of op. amp., common – mode rejection ratio in the frequency domain, IEE Procedings - Circuits Devices and Systems, vol. 142, No. 4, Aug. 1995, pp. 247 ÷ 253.
• [3] Bryant J. M.: Simple Op Amp Measurements. Analog Dialogue 45-04, April 2011, pp. 2 ÷ 3.
• [4] Giustolisi G., Palumbo G.: An approach to test open-loop parameters of feedback amplifiers, IEEE Transactions on Circuits Systems, vol. 49, Jan. 2002, pp. 70 ÷ 75.
• [5] Grieken C., Sansen W.: A testset for automatic characterization of opamps in the frequency domain, Proceedings of IEEE international conference on Microelectronic test structures, Barcelona, Spain, March 1993, vol. 6, pp. 83 ÷ 88.
• [6] Górecki P.: Wzmacniacze operacyjne, BTC, Warszawa 2002, ss. 8 ÷ 15 i 100 ÷ 180.
• [7] Łakomy M., Zabrodzki J.: Liniowe układy scalone w technice cyfrowej, PWN, Warszawa 1979, ss. 79 ÷ 81 i 204 ÷ 211.
• [8] Millman J., Halkias Ch.: Układy scalone analogowe i cyfrowe, WNT, Warszawa 1976, ss. 503 ÷ 504.
• [9] Nadachowski M., Kulka Z.: Analogowe układy scalone, WKŁ, Warszawa, 1985, ss. 201 ÷ 202 i 369 ÷ 372.
• [10] Nonlinear circuits handbook. Edited by Sheingold D. H., Published by Analog Devices, Norwood, MASS., 1976, pp. 203 ÷ 269.
• [11] Oliver B. M., Cage J. M.: Pomiary i przyrządy elektroniczne, WKŁ, Warszawa 1978, ss. 234 ÷ 236.
• [12] Operational Amplifier Common-Mode Rejection Ratio, M-42, Tutorial, Analog Devices, Copyright 2009,
• [13] Pallas-Areny R., Webster J. G.: Common mode rejection ratio in differential amplifiers, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 40, June 1991, pp. 669 ÷ 676.
• [14] Pintelon R., Vandersteken G., Locht L., Rolain Y., Schoukens J.: Experimental Characterization of Operational Amplifiers: A system Identification Approoach – Part I: Theory and Simulations, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 53, No. 2, June 2004, pp. 854 ÷ 862.
• [15] Połonnikow D. J.: Wzmacniacze operacyjne – teoria i projektowanie, WNT, Warszawa 1987, ss. 18 ÷ 19.
• [16] Praca zbiorowa pod redakcją Eimbinder J.: Zastosowania układów scalonych liniowych, WNT, Warszawa 1974, ss. 26 ÷ 27.
• [17] Recommended Test Procedure for Operational Amplifiers, Intersil, Milpitas, CA, Application Note 551.1, Nov. 1996.
• [18] Sansen W., Steyaert M., Vandeloo P.: Measurement of Operational Amplifier characteristics in the frequency domain, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. IM-34, No. 1, March 1985, pp. 59 ÷ 64.
• [19] Spiralski L., Kołodziejski J.: Miernictwo układów scalonych, WKŁ, Warszawa 1979, ss. 88 ÷ 91.
• [20] Sydenham P. H.: Podręcznik metrologii, Tom I: Podstawy teoretyczne, WKŁ, Warszawa 1988, ss. 439 ÷ 450.
• [21] Zhou J., Liu J.: On the measurement of common - mode rejection ratio, IEEE Transactions on Circuits and Systems, vol. 52, No. 1, January 2005, pp. 49 ÷ 53.
• [22] Linear ICs Data Book, 2020/2021, Thomson Semiconductors.
• [23] The Linear Control Circuits Data Book for design Engineers, Copyright 2021–By Texas Instruments Incorporated.
• [24] www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD734.pdf.
• [25] www.epcos.com/inf/80/db/fer_01/04970499.pdf.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).