測(cè)試運(yùn)算放大器的輸入偏置電流

　　在本系列第 1 部分《電路測(cè)試主要運(yùn)算放大器參數(shù)》一文中，我們介紹了一些基本運(yùn)算放大器測(cè)試，例如失調(diào)電壓 (VOS)、共模抑制比 (CMRR)、電源抑制比 (PSSR) 和放大器開(kāi)環(huán)增益 (Aol)。本文我們將探討輸入偏置電流的兩種測(cè)試方法。選擇哪種方法要取決于偏置電流的量級(jí)。我們將介紹器件測(cè)試過(guò)程中需要考慮的各種誤差源。本系列的下篇文章將介紹一款可配置測(cè)試電路，其可幫助您完成本文所介紹的所有測(cè)量

　　產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)通常為運(yùn)算放大器的非反相輸入與反相輸入(iB+和 iB-)分別提供了一個(gè)偏置電流列表。這兩個(gè)輸入的區(qū)別就是輸入失調(diào)電流 IOS。在工作臺(tái)上，您可能會(huì)忍不住使用圖1a中的電路來(lái)測(cè)試正輸入偏置電流，因?yàn)樵撆渲孟碌姆糯笃骱芊€(wěn)定，這種方式有效。

　　圖1.使用圖 (a) 中的電路測(cè)量運(yùn)算放大器非反相輸入端的輸入偏置電流。在圖 (b) 中增加一個(gè)環(huán)路放大器，可在針對(duì)反相輸入端進(jìn)行測(cè)量時(shí)保持運(yùn)算放大器的穩(wěn)定性。圖 (c) 中的電路可測(cè)量任何輸入端的偏置電流。繼電器可決定電路配置。

　　可惜，在測(cè)量負(fù)輸入偏置電流時(shí)，沒(méi)有保持放大器穩(wěn)定性的簡(jiǎn)單方法。然而，可增加一個(gè)環(huán)路放大器保持被測(cè)試器件的穩(wěn)定性，這樣可使用靜電計(jì)測(cè)量偏置電流，如圖1b中的電路所示。這個(gè)電路就是在第 1 部分中我們用來(lái)測(cè)試 VOS的雙放大器測(cè)試環(huán)路，但有一個(gè)不同的連接。

　　我們將兩個(gè)放大器的輸入顛倒過(guò)來(lái)，以保持被測(cè)試器件的穩(wěn)定性。雖然這種方法對(duì)工作臺(tái)測(cè)試很管用，但靜電計(jì)的速度太慢，不適合用于高速生產(chǎn)測(cè)試。我們?cè)谏a(chǎn)測(cè)試中使用的方法是 VOS測(cè)試的修改方案。為了測(cè)試輸入偏置電流 (IB)，我們?yōu)殡娐诽砑恿死^電器和電阻器(或電容器)。請(qǐng)見(jiàn)圖1c中的電阻器 RB。

　　為了討論起見(jiàn)，我們使用雙運(yùn)算放大器測(cè)試環(huán)路來(lái)描述該測(cè)試。不過(guò)，本技術(shù)同樣也適合第 1 部分中介紹的兩種測(cè)試環(huán)路。我們?yōu)閳D 1c 中被測(cè)試器件的每個(gè)輸入都添加了一個(gè)繼電器和電阻器。

　　在繼電器 K2 和 K3 閉合時(shí)，我們可使用第 1 部分介紹的 VOS測(cè)量技術(shù)測(cè)量和保存 VOUT值。公式1根據(jù) RIN、RF和 VOS定義了 VOUT。

　　公式 1

　　對(duì)公式1進(jìn)行變換后，可得到用于計(jì)算 VOS的公式2。

　　公式 2

　　接下來(lái)，我們打開(kāi) K2，進(jìn)行另一項(xiàng)測(cè)量，得到 VOUT(IB-)。測(cè)得的電壓由被測(cè)試器件的失調(diào)電壓以及流過(guò)電阻器 RB的輸入偏置電流引起，可表示為公式3。

　　公式 3

　　我們現(xiàn)在可求解 iB-，等式兩邊同時(shí)除以 (RIN+RF)/RIN，得到公式4。

　　公式 4

　　公式 5

　　然后，在公式4兩邊同時(shí)減去被測(cè)試器件的失調(diào)電壓，得到公式5。

　　最后，在公式5兩邊同時(shí)除以 RB，計(jì)算 IB- 的值。

　　公式 6

　　圖2.在測(cè)量小于幾百微微安的偏置電流時(shí)，應(yīng)在電路中使用電容器，并使用萬(wàn)用表測(cè)量一系列樣片。

　　可使用類似的方法測(cè)量 IB+。測(cè)量 IB-時(shí)，關(guān)閉 K3，打開(kāi) K2。測(cè)量 IB+時(shí)，關(guān)閉 K2，打開(kāi) K3。由于我們已經(jīng)測(cè)量出運(yùn)算放大器的 VOS，因此接下來(lái)就只是數(shù)學(xué)計(jì)算了。結(jié)果很容易得出，而且只需一個(gè)良好的數(shù)字萬(wàn)用表 (DMM) 即可。

　　注意，使用電阻器產(chǎn)生電壓差來(lái)測(cè)量 IB，只對(duì)低至幾百微微安的偏置電流有效。我們可針對(duì)更低的偏置電流使用另一項(xiàng)測(cè)量技術(shù)。

　　對(duì)于小于幾百微微安的 IB值，我們使用電容器來(lái)替換 RB電阻器。一旦短路繼電器被打開(kāi)，偏置電流就會(huì)使環(huán)路以 IC= C(dV/dt) * 環(huán)路增益的速度結(jié)合。您可通過(guò)在已知時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行測(cè)量來(lái)計(jì)算偏置電流。這種方法可測(cè)量小于 1pA 的偏置電流。

　　PCB 布局對(duì)于這些真正的低 IB電流來(lái)說(shuō)非常重要。要注意減少雜散電容，因?yàn)殡s散電容可能會(huì)消耗一些 IB電流。PCB 上被測(cè)試器件輸入引腳的泄漏也會(huì)導(dǎo)致誤差，因此應(yīng)在輸入引腳周圍創(chuàng)建保護(hù)環(huán)，并將保護(hù)環(huán)連接至接地。這將減少來(lái)自高電壓節(jié)點(diǎn)的任何泄漏。從拓?fù)浣嵌葋?lái)看，應(yīng)該采用溫度穩(wěn)定的低泄漏電容器替換圖 1c 中的 RB電阻器。

　　采用電容方法需要良好的時(shí)鐘。這是因?yàn)檩斎肫秒娏鳒y(cè)量不僅需要打開(kāi)各種電容器(連接在被測(cè)試器件的輸入端)間的繼電器，而且還要測(cè)量已知間隔的電壓變化。我們可通過(guò)在精確確定的時(shí)間周期內(nèi)測(cè)得的環(huán)路輸出電壓變化來(lái)計(jì)算輸入偏置電流。

　　當(dāng)電容器的繼電器在 t0位置打開(kāi)，輸出便開(kāi)始根據(jù)偏置電流的極性以正方向或負(fù)方向結(jié)合(圖2)。編程的延遲可讓電路穩(wěn)定下來(lái)。然后，在 t1位置，DMM 按已知的采樣率進(jìn)行采樣。接下來(lái)在 t2位置，會(huì)有另一個(gè)延遲。最后，在 t3位置，DMM 會(huì)提取更多樣片。

　　保持采樣測(cè)量時(shí)間不變，這樣就能知道 dt 的值。獲得第二組樣片測(cè)量的平均值，并減去第一組樣片測(cè)量平均值，便可得到 dV 值或者 dt 時(shí)間內(nèi)的電壓變化。我們可通過(guò)電容器來(lái)計(jì)算電流，如：

　　方程式 7

　　方程式 8

　　然后，通過(guò)以下方程式計(jì)算偏置電流：

　　典型的誤差源

　　如果不討論測(cè)量過(guò)程中會(huì)遇到的誤差源，那么對(duì) VOS測(cè)量的討論就不完整。明顯的誤差是那些由 DMM 分辨率以及所選組件(尤其是電阻器)值(噪聲和容差)引起的誤差。更細(xì)微的誤差可分為以下三個(gè)類型：

　　A. 熱生成電動(dòng)勢(shì) (emf)，由繼電器接觸引起

　　焊接點(diǎn)

　　板間引腳連接

　　自動(dòng)測(cè)試處理器的接觸點(diǎn)與插槽

　　B.下列因素產(chǎn)生的漏電流：

　　電源

　　繼電器控制和電源線跡

　　PCB 材料的屬性

　　C. 噪聲

　　環(huán)境

　　測(cè)試儀

　　組件

　　被測(cè)試器件本身

　　這里討論的所有被測(cè)試器件配置中的典型誤差源均為熱生成電動(dòng)勢(shì)和漏電流。漏電流主要影響偏置電流測(cè)量，而熱生成電動(dòng)勢(shì)則可影響所有低級(jí)失調(diào)電壓測(cè)量。最大程度減少這些影響是確保系統(tǒng)功能和測(cè)量準(zhǔn)確度的必要條件。

　　漏電流由表面污染以及經(jīng)過(guò)組件或在 PCB 材料中的電阻式路徑導(dǎo)致。表面污染通?？赏ㄟ^(guò)徹底清潔電路板來(lái)控制，但濕度可能會(huì)改變表面漏電流。其它電阻式路徑可由材料的隔離電阻設(shè)置。在電阻式路徑連接電源線或繼電器控制型電源線時(shí)，也可能會(huì)出現(xiàn)漏電流。使用保護(hù)環(huán)以及支持高電平有效驅(qū)動(dòng)器的閉鎖繼電器，可緩解一部分這類漏電路徑影響。

　　熱電動(dòng)勢(shì)可在繼電器接觸、焊點(diǎn)、板間引腳連接點(diǎn)以及其它所有測(cè)試處理器接觸點(diǎn)和插槽中產(chǎn)生。例如，考慮圖 1c 中的雙放大器 VOS測(cè)量電路。漏電流不會(huì)明顯影響該測(cè)量。但該電路無(wú)法體現(xiàn)多種熱電動(dòng)勢(shì)來(lái)源。

　　圖 3是熱電動(dòng)勢(shì)誤差源，標(biāo)記為 VT。在室溫下測(cè)量時(shí)，梯度漸變無(wú)異常。但在寒冷或炎熱的環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試時(shí)，從被測(cè)試器件到電阻器和繼電器的熱梯度漸變會(huì)很明顯。

　　圖3.熱電動(dòng)勢(shì)誤差(顯示為 VT)可影響測(cè)量結(jié)果。

　　本系列的第 3 部分將討論測(cè)試板的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。