КАК ИЗМЕРИТЬ ВХОДНУЮ ЕМКОСТЬ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Вопрос:
На что следует обратить внимание при измерении входной емкости операционного усилителя?
Ответ:
Необходимо убедиться в том, что точность измерения не снижается из-за паразитной емкости и индуктивности печатной платы или испытательной установки. Можно свести к минимуму эти проблемы, если использовать пробники с низкой емкостью, короткие дорожки на печатной плате и не располагать заземляющий слой на печатной плате под операционным усилителем. Операционные усилители используются в самых разных электронных схемах. Их задачей является усиление электрических сигналов для дальнейшей их обработки. Такие приложения, как детекторы дыма, фотодиодные трансимпедансные усилители, медицинские приборы и промышленные системы управления, требуют минимально возможной входной емкости операционных усилителей, поскольку это влияет на шумовую составляющую полезного сигнала.
Чтобы оптимизировать точность проектируемой схемы, необходимо знать входную емкость операционного усилителя. В техпаспортах, однако, зачастую эта информация не приводится, поэтому ее необходимо получить в процессе разработки нового изделия. Это может быть затруднительно, поскольку входная емкость во многих случаях составляет единицы пикофарад. В табл. 1 приведены значения входной емкости некоторых современных ИМС операционных усилителей.

Таблица 1. Значения входной емкости ИМС ОУ

Как измерить входную емкость Простой способ измерения входной емкости операционного усилителя состоит в том, чтобы последовательно на вход операционного усилителя включить резистор RSERIES , как показано на рис. 1. На входе ОУ образуется фильтр нижних частот первого порядка с частотной характеристикой, которая может быть измерена, например, сетевым анализатором. По частотной характеристике можно рассчитать входную емкость ОУ. Сопротивление RSERIES обычно выбирается в диапазоне от 10 до 100 кОм.
С последовательным резистором на входе операционного усилителя можно измерить его входную емкость. При этом необходимо убедиться, что точность измерения не снижается из-за паразитной емкости и индуктивности печатной платы и испытательной установки. Целесообразно использовать пробники на полевых транзисторах малой емкости (<1 пФ). Емкость печатной платы по отношению к земле должна быть как можно ниже. Это можно обеспечить, если под сигнальными дорожками и последовательным резистором нет заземляющего слоя.

Рис. 1. Схема включения резистора RSERIES

Кроме того, следует использовать как можно более короткие дорожки и выводы резистора, чтобы уменьшить паразитную индуктивность. На рис. 2 приведена схема измерения с использованием сетевого анализатора и делителя мощности.
Сигнал OUT1 подается на вход анализатора, сигнал OUT2 – через ФНЧ на вход ОУ. Анализатор генерирует разностный сигнал (VOUT1 – VOUT2) изменяемой частоты. До этого следует вычислить паразитную емкость CSTRAY печатной платы. Для этого сигнал подается на плату без ОУ. Из полученной АЧХ рассчитывается CSTRAY в соответствии с (1)
CSTRAY = 1/, (1)
где f1(–3 дБ) – частота среза, измеренная с помощью анализатора без операционного усилителя, RTH1 – эквивалентное сопротивление последовательно соединенных резисторов RSERIES и сопротивления параллельно включенных внутреннего сопротивления делителя (power splitter) и согласующего резистора с сопротивлением 50 Ом
RTH1 = (RSERIES + (50||50).

Рис. 2. Схема измерения входной емкости с использованием сетевого анализатора и делителя мощности

Затем операционный усилитель устанавливается на печатную плату. Поскольку паразитная емкость печатной платы CIN параллельна входной емкости операционного усилителя, уравнение 1 преобразуется в (3)
CIN + CSTRAY = 1/. (3)
где f2(–3 дБ) частота среза, измеренная с помощью анализатора с операционным усилителем, а сопротивление RTH2 равно сумме RTH1 и синфазного входного сопротивления операционного усилителя RCM.
RTH2 = RTH1 + RCM = || RCM. (4)
В общем случае для операционных усилителей с КМОП-транзисторами на входе RSERIES << RCM. Следовательно, RTH2 ≈ RTH1, и уравнение 3 можно преобразовать в уравнение 5
CIN + CSTRAY = 1/. (5)
Таким образом, из уравнений 1 и 5 можно определить входную емкость ОУ.

ВЫВОДЫ
Входную емкость операционного усилителя трудно измерить. Часто оно находится в диапазоне единиц пикофарад. Воспользовашись рекомендацими, изложенным в статье, можно определить входную емкость ОУ, используя при этом стандартное оборудование.