Medir la capacidad de entrada de un amplificador operacional

Nota de aplicación 5086

 

Resumen: Los amplificadores operacionales con baja capacidad de entrada se requiere en aplicaciones tales como detectores de humo, amplificadores de transimpedancia fotodiodo, instrumental médico, sistemas de control industrial, y la interfaz de sensor piezoeléctrico.Reducir al mínimo la capacidad de entrada también puede aumentar la frecuencia de un poste en el camino de realimentación hasta que tiene un efecto insignificante en un circuito. La medición de la capacidad de entrada de un amplificador operacional no es trivial, especialmente si el valor es sólo una picofaradios pocos. Valores tan bajos también presentan dificultades en el cribado de los amplificadores operacionales durante las pruebas de producción. Esta idea de diseño se explica cómo determinar con precisión la capacidad de entrada de cualquier amplificador operacional.
Una versión similar de este artículo apareció en el 08 de mayo 2011 tema de EE Times, la revista. amplificadores operacionales con baja capacidad de entrada se requiere en aplicaciones tales como detectores de humo, amplificadores de transimpedancia fotodiodo, instrumental médico, sistemas de control industrial, y la interfaz de sensor piezoeléctrico. CMOS de entrada de los amplificadores operacionales, por ejemplo, requieren un mínimo de capacidad de entrada al amplificador sensor capacitivo o salidas de las señales pequeñas de alta impedancia fuentes. Capacidad de entrada también afecta a un poste en el camino de realimentación que puede causar inestabilidad en los de alta ganancia, aplicaciones de alta frecuencia. Al minimizar esta capacidad de entrada, es posible que pueda aumentar la frecuencia polo correspondiente hasta que tenga un efecto insignificante en el circuito. La medición de la capacidad de entrada de un amplificador operacional no es trivial, especialmente si el valor es sólo una picofaradios pocos. Valores tan bajos también presentan dificultades en el cribado de los amplificadores operacionales durante las pruebas de producción. Por lo tanto,semiconductores empresas suelen ofrecer sólo los valores típicos de este parámetro, utilizando los resultados de simulación y las medidas de banco en unos pocos conocidos buenas unidades. La siguiente discusión se puede proporcionar una comprobación de validez en el laboratorio, ayudando a los diseñadores de sistemas a nivel de ingeniero o de control de calidad para determinar con precisión la capacidad de entrada de cualquier amplificador operacional. El método directo de observación capacidad de entrada en un multímetro no es práctico por debajo de unos pocos nanofaradios. Una alternativa sencilla y eficaz consiste en insertar una resistencia grande en serie con la entrada del amplificador operacional ( Figura 1 ). Trazado de la respuesta de frecuencia de la que resulta de primer orden de paso bajo del filtro RC en un analizador de red (es decir, un diagrama de Bode) le permite calcular la capacitancia de entrada del amplificador operacional. Suena simple, pero usted debe seguir las precauciones necesarias para asegurarse de que la precisión de la medición no se ve comprometida por las capacidades parásitas en la placa de circuito impreso y la configuración de la prueba. Figura 1. Una resistencia en serie con una entrada de amplificador permite la medición de la capacidad de entrada del amplificador operacional. Siga estos consejos para minimizar los parásitos callejeros: Aumentar la resolución de la medición mediante el uso de sólo baja capacitancia FET sondas (<1pF), como el Tektronix ® P6245 . Si la resistencia en serie es un componente de montaje superficial, asegúrese de que la capacidad bordo a tierra es lo más bajo posible. Esto implica que no hay capa de suelo plano por debajo de las huellas de entrada de la señal y la resistencia en serie. Si la resistencia en serie es un pasante de componentes, doblar el pin de entrada por lo que no entra en contacto con el PCB, y el uso de una longitud de entrega cortos para soldar la resistencia directamente a la clavija de entrada del amplificador operacional. No utilice una placa en la configuración de la prueba, ya que la capacidad entre las pistas de placa y los cables de puente pueden degradar la precisión de la medición. Use las huellas corto en la entrada para reducir al mínimo la inductancia en serie. El hardware recomendado para esta configuración de la prueba ( Figura 2 ) incluye un analizador de redes Agilent ® 4395A, un Mini-circuitos-2050 ® ZFRSC divisor de potencia, y una sonda de Tektronix P6245 FET activa. Figura 2.Configuración de prueba para medir el MAX4238 amplificador capacidad de entrada. En primer lugar, calibrar la configuración sin amplificador operacional instalado en el PCB. De la que resulta de Bode, se puede calcular la capacitancia parásita como

(Ec. 1)

donde f ₁ (-3 dB) es la frecuencia de corte, medida en el analizador de redes sin amplificador operacional instalado, y R _TH1 es la serie de Thévenin equivalente a la resistencia . R _TH1 es una función de la resistencia en serie inserta, la resistencia de terminación de entrada (50Ω), y la fuente de impedancia en el divisor de potencia (50Ω):

R _TH1 = R _SERIE + (50 | | 50)
(Ec. 2)

A continuación, instale el amplificador operacional en el PCB. Dado que las capacidades parásitas de la junta es en paralelo con la capacidad de entrada del amplificador operacional, la ecuación se convierte en un

(Ec. 3)

donde f ₂ (-3 dB) es la frecuencia de corte, medida en el analizador de espectro con el amplificador operacional instalado, y R _TH2 es la resistencia serie equivalente Thévenin. Esta resistencia Thévenin equivalente es una función de la resistencia en serie inserta, la resistencia de terminación de entrada (50Ω), impedancia de salida del divisor de potencia (50Ω), y la impedancia de modo común de entrada del amplificador operacional:

R _TH2 = (R _SERIE + (50 | | 50)) | | R _CM

La entrada de modo común de impedancia de un amplificador operacional no se conoce con precisión. Para un amplificador CMOS-op de entrada, sin embargo, es bastante fácil para seleccionar R _SERIE <<R _CM . Entonces R _TH2 ≈ R _TH1 , y la ecuación 3 se puede escribir como

(Ec. 4)

Ahora se puede calcular la capacidad del amplificador operacional de entrada de las ecuaciones 1 y 4, y verificar el valor de repetir el experimento con dos valores diferentes de resistencia en serie. Para ilustrar el método, puede ser una medida de entrada y capacidad para el MAX4238 amplificador operacional. Figura 3 muestra la respuesta de amplitud de la figura 2 con una resistencia en serie y no 200kΩ amplificador operacional instalado en el PCB, y la figura 4 muestra la respuesta de amplitud con el MAX4238 instalado. Figura 3.Amplitud de la respuesta de la Figura 2, con R _SERIE = 200kΩ y no amplificador operacional instalado en el PCB. El f ₁ (-3 dB) frecuencia es indicada por la flecha que apunta hacia abajo. Figura 4. Respuesta de amplitud de la figura 2, con R _SERIE = 200kΩ y el amplificador MAX4238 op instalado. El f ₂ (-3 dB) frecuencia es indicada por la flecha que apunta hacia abajo . Tabla 1 resume los resultados, utilizando las formas de onda de frecuencia de respuesta y los cálculos de las ecuaciones 1 y 4. Como una comprobación de validez, la medición se repitió con un valor de resistencia de diferentes series de demostrar que un resultado similar (≈ 4PF) se obtiene.Tabla 1. Resumen de la capacidad de entrada MAX4238-Medidas

Agilent es una marca registrada y marca de servicio registrada de Agilent Technologies, Inc. Mini-Circuits es una marca registrada de los componentes de la Ciencia. Tektronix es una marca registrada y marca de servicio registrada de Tektronix, Inc.

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