Как измерить входную емкость операционного усилителя, чтобы минимизировать шум

На что следует обратить внимание при измерении входной емкости операционного усилителя? Ответ заключается в том, что нужно убедиться, что точность измерений не ухудшается из-за паразитной емкости и индуктивности печатной платы или испытательной установки. Эти проблемы можете свести к минимуму, используя щупы с низкой емкостью, используя короткие проводники на печатной плате и избегая больших заземляющих плоскостей под сигнальными дорожками.
Операционные усилители (ОУ) используются в самых разных электронных схемах. Их задача – усиливать небольшие электрические напряжения для дальнейшей обработки сигнала. Такие приложения, как детекторы дыма, фотодиодные трансимпедансные усилители, медицинские приборы и даже промышленные системы управления, требуют минимально возможной входной емкости операционных усилителей. Это связано с тем, что, помимо прочего, входная емкость влияет на шумовую составляющую, которая, в свою очередь, влияет на устойчивость системы, особенно для систем с высокими частотами и большими коэффициентами усиления.

Чтобы максимально повысить точность соответствующей схемы, необходимо знать входную емкость операционного усилителя. Однако в технических описаниях эта информация часто отсутствует, поэтому ее необходимо определять самостоятельно. И это может быть сложно, поскольку входная емкость во многих случаях составляет всего несколько пикофарад.

В Таблице 1 перечислены несколько различных примеров операционных усилителей и соответствующие значения их входной емкости.

Таблица 1.	Различные операционные усилители и значения их входной емкости
ОУ Тип ОУ Входная емкость LT1792 ОУ с полевыми транзисторами на входах 14 пФ LT1813 Малошумящий ОУ 2 пФ AD826 Быстродействующий ОУ 1.5 пФ ADA4097-1 Прецизионный ОУ с низкими входными токами 3 пФ AD8009 Усилитель с обратной связью по току 2.6 пФ

Как определить входную емкость

Простой способ определить входную емкость операционного усилителя – добавить резистор (R_SER) последовательно с входом операционного усилителя (Рисунок 1). В результате получается фильтр нижних частот первого порядка с частотной характеристикой, которая может быть записана анализатором цепей. По частотной характеристике можно рассчитать входную емкость. Сопротивление R_SER обычно находится в диапазоне от 10 до 100 кОм.

Рисунок 1.	С помощью последовательного резистора на входе можно измерить входную емкость операционного усилителя.

При регистрации частотной характеристики необходимо убедиться, что точность измерений не ухудшается из-за паразитной емкости и индуктивности печатной платы или испытательной установки.

Чтобы паразитная емкость была минимальной, следует выбрать высокое разрешение измерительного прибора. Рекомендуется использовать пробники на полевых транзисторах с малой емкостью (меньше 1 пФ).

Емкость печатной платы относительно земли также должна быть насколько возможно низкой. Этого можно добиться, обеспечив отсутствие заземляющего слоя под сигнальными проводниками и последовательным резистором.

Кроме того, следует использовать как можно более короткие линии и выводы (резистора), чтобы исключить дополнительные источники ошибок, такие как последовательная и паразитная индуктивность.

На Рисунке 2 показана возможная конфигурация тестовой установки с использованием анализатора цепей и разветвителя мощности.

Рисунок 2.	Тестовая установка для определения входной емкости операционного усилителя.

Разветвитель мощности выполняет функцию делителя сигнала. Сигнал в неизменном виде 1:1 подается на вход анализатора цепей и через созданный фильтр нижних частот поступает на вход ОУ. Затем на основе разности между этими двумя сигналами анализатор цепей строит частотную характеристику.

Выполнение измерений

Для самого измерения необходимо определить паразитную емкость C_STR. Для этого сигнал подается на плату без операционного усилителя. Из результирующей диаграммы Боде по формуле (1) рассчитывается C_STR:

(1)

где f₁(–3 дБ) – частота среза по уровню –3 дБ, измеренная с помощью анализатора цепей без операционного усилителя, а R_TH1 – функция включенного последовательного сопротивления R_SER, входного согласующего сопротивления (50 Ом) и 50-омного импеданса источника со стороны делителя мощности (эквивалентная схема Тевенена):

(2)

Далее операционный усилитель устанавливается на печатную плату.

Поскольку паразитная емкость печатной платы параллельна входной емкости операционного усилителя, формула (1) дополняется значением C_IN, как показано в формуле (3):

(3)

На этот раз f₂(–3 дБ) представляет частоту излома АЧХ на уровне –3 дБ, измеренную анализатором цепей с операционным усилителем, а R_TH2 является функцией вносимого последовательного сопротивления R_SER, входного согласующего сопротивления (50 Ом), выходного импеданса делителя мощности (50 Ом) и синфазного входного сопротивления операционного усилителя (R_CM):

(4)

Обычно для операционных усилителей с КМОП входами R_SER << R_CM. Следовательно, R_TH2 ≈ R_TH1 и формулу (3) можно переписать, как показано в (5):

(5)

Затем с помощью формул (1) и (5) можно определить входную емкость операционного усилителя.

Заключение

Измерение входной емкости операционного усилителя может быть трудной задачей. Она часто находится в пикофарадном диапазоне, и паразитные эффекты в тестовой установке искажают результат. Но с помощью небольшого испытательного устройства и соответствующего измерительного оборудования, состоящего из анализатора цепей и разветвителя мощности, определить входную емкость несложно.

Сначала по частотной характеристике определяют паразитную емкость, а затем – общую емкость схемы с операционным усилителем. С помощью приведенных выше формул можно рассчитать фактическую входную емкость операционного усилителя.