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

• Autorzy: Wiśniewski J.

Warianty tytułu

EN

A circuit for measuring the complex common mode rejection ratio (CMRR) of operational amplifiers

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy rozważono zagadnienie precyzyjnego 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. 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 (ƒ_0,CMRR). Ponadto przyczynia się do wyeliminowania wpływu zarówno temperaturowych, jak i czasowych, dryftów stałoprądowych parametrów (napięcie offsetu, prądy polaryzacji, prąd offsetu) badanego wzmacniacza oraz jego własnych szumów (termicznych i strukturalnych), a także zakłóceń zewnętrznych na mierzoną wartość współczynnika CMRR.

EN

This paper deals with the problem of a precise measurement of the common mode rejection ratio (CMRR) coefficient of high value from the range 1∙10⁴ ÷ 1∙10⁸ (i.e. 80dB to 160dB) of integrated operational amplifiers at alternating current and closed-loop feedback There was performed the theoretical analysis of metrological parameters of a measuring circuit. As a result there was established the relationship between the voltage ratio (measured in the system) dependent on the CMRR coefficient and the other parameters of the tested amplifier, in particular the differential voltage gain (K_r) (Eq. (13)). This relationship is the basis of quantitative evaluation of the measurement method error. Based on these results, a completely new technical solution of the measurement circuit equipped with a special measuring voltage transformer (Tr) with the secondary trifilar windings was proposed (Figs. 4 and 5). It caused elimination of the effect of the differential open-loop voltage gain (K_r) finite value of the tested operational amplifier on the measured value of the CMRR coefficient (Fig. 3). The applied method of synchronous (phase sensitive, homodyne) detection of the alternating output voltage U_wy (Figs. 4 and 5) allows measurement of both the direct current (DC) value of this coefficient (CMRR₀) and the three-decibel break-down frequency (ƒ_0,CMRR) of the absolute value CMRR. Moreover, it contributes to elimination of the influence of temperature and time dependent drift DC parameters (offset voltage, input bias currents, input offset current) of the tested amplifier as well as its own intrinsic noise (thermal and structural) and external disturbances on the measured value of CMRR. There were made measurements of randomly selected amplifiers of the same type LM741 but from different producers in the number of 100 units. As a result a large scattering value of this factor of up to 10000:1 (from 75dB to 155dB) was found. Three-decibel break-down frequency ƒ_0,CMRR of the absolute value CMRR took the values from the range: 10Hz ÷ 3kHz. The measurement results confirmed the hypothesis posed by the author in the second section of the work that the CMRR coefficient has an indefinite sign. The advantage of the proposed by the author measurement circuit is its technical simplicity, easy reproducibility and low price. For these reasons, it may have wide practical application.

Słowa kluczowe

PL

miernictwo układów scalonych; układy scalone; wzmacniacze operacyjne

EN

integrated circuits; measurements of integrated circuits; operational amplifiers

• Wydawca: Wydawnictwo PAK
• Czasopismo: Pomiary Automatyka Kontrola
• Rocznik: 2013
• Tom: R. 59, nr 1
• Strony: 9--15
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., rys., schem., wzory

Twórcy

autor

Wiśniewski J.

• Uniwersytet Zielonogórski, ul. Licealna 9, 65-417 Zielona Góra

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. online: www.analog.com/library/ analogDialogue/archives//45-04/op_amp_measurements.html.
• [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, online: www.analog.com/static/ imported - files/tutorials/MT-042.pdf.
• [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, Jan. 2005, pp. 49 ÷ 53.
• [22] Linear ICs Data Book, 2009/2010, Thomson Semiconductors.
• [23] The Linear Control Circuits Data Book for design Engineers. Copyright 2010–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.