Проектирование источников тока и тока с помощью Op Amp Circuits для испытательного оборудования

Понимание источников тока и толчков в современном испытательном оборудовании

Производительность испытательного оборудования зависит от способности генерировать известные, стабильные токи для калибровки и характеристики. Эксплуатационные источники тока и поглотители на основе усилителя обеспечивают точность и гибкость, требуемые в приложениях, начиная от полупроводникового тестирования до моделирования преобразователя. Эти схемы достигают точности, используя обратную связь для управления током через известный чувствительный резистор, делая поведение источника или поглотителя независимым от импеданса нагрузки в пределах диапазона соответствия. Проектирование этих схем требует тщательного выбора параметров усилителя, эталонных напряжений и спецификаций резистора для удовлетворения требований производственных испытаний и метрологических приложений.

Основные принципы текущего контроля Op Amp

Источник тока подает стабильный ток на нагрузку независимо от изменения напряжения на его выходе, в то время как ток-поглотитель вытягивает определенный ток из тестируемого устройства. Op amps позволяет выполнять эти функции, образуя систему замкнутого цикла, которая сравнивает напряжение, развитое через сенсорный резистор, с эталоном. Op amp регулирует свой выход, чтобы минимизировать ошибку, заставляя напряжение сенсорного резистора соответствовать эталону. Поскольку ток через сенсорный резистор равен Vref, деленный на Rsense, ток нагрузки точно определяется двумя стабильными компонентами.

Механизм обратной связи

Оп-ампер работает в конфигурации отрицательной обратной связи, где смысловой резистор соединяется между инвертирующим входом и либо грунтом, либо виртуальным грунтом. Для источника тока операционный усилитель вгоняет ток в нагрузку при мониторинге падения через смысловой резистор. Любое отклонение от заданного тока заставляет операционный усилитель регулировать выходное напряжение до возвращения равновесия. Этот отклик происходит в полосе пропускания операционного усилителя, что позволяет быстро осесть для автоматизированных последовательностей испытаний. Нарастание петли определяет, насколько близко фактический ток приближается к идеальному значению, при этом более высокий коэффициент усиления уменьшает ошибку.

Точные детерминанты

Три компонента доминируют в точности источника тока или мойки усилителя оптики. Отсчет напряжения должен поддерживать свое значение с течением времени и температурой, с типичными вариантами, начиная от точных ссылок на полосы пропускания до устройств с заглубленным золочением, предлагающих начальные допуски ниже 0,05%. Сенсорный резистор должен иметь низкий температурный коэффициент и высокую стабильность, часто требующие металлической фольги или тонкопленочных резисторов с ТК ниже 10 ppm / ° C. Смещение напряжения усилителя оптики, ток смещения и усиление открытого цикла непосредственно способствуют погрешности тока, особенно на низких уровнях тока, где смещенные напряжения становятся значительными по отношению к напряжению ощущения.

Конфигурация основного источника тока

Простейший источник тока точности использует один усилитель, опорное напряжение и сенсорный резистор. Ссылка соединяется с неинвертирующим входом, в то время как осмысленный резистор соединяется с инвертирующим входом на выходной усилитель оп. Нагрузка появляется последовательно с ощутимым резистором на стороне вывода, с током, текущим от выходного усилителя оп через ощутимый резистор и в нагрузку. Это расположение заставляет напряжение через ощутимый резистор равняться опорному, делая выходной ток равным Vref, деленным на Rsense.

Критерии выбора компонентов

Соответствие Voltage Considerations

Напряжение соответствия источника тока является максимальным выходным напряжением, которое он может подавать при сохранении регулирования. Это равно напряжению питания усилителя опции минус падение напряжения на сенсорном резисторе и напряжению насыщения выходного усилителя оптической мощности. Для источника питания от 12 В с напряжением ощущения 500 мВ и падением выхода 200 мВ соответствие достигает примерно 11,3 В. Если нагрузка требует более высокого напряжения, становится необходимым либо более высокое напряжение питания, либо конфигурация бутстрапа. Конструкции, требующие соблюдения вблизи положительной рельсы, должны использовать усилители выходного напряжения рельса-рельса и учитывать влияние отсева выходного этапа на точность.

Проектирование точного тока Sink

Схема токоотвода выводит заданный ток из нагрузки в землю или отрицательное снабжение. Оп-ампер управляет транзистором или собственным выходом для поддержания напряжения сенсорного резистора, равного эталонному. Наиболее распространенная конфигурация помещает сенсорный резистор между нагрузкой и инвертирующим входом операционного усилителя, причем операционный усилитель приводит в действие проходной транзистор последовательно. Эта топология обеспечивает более высокие уровни тока и обеспечивает лучшее управление температурой.

Транзисторная топология поглотителей

Для токов, превышающих выходную мощность усилителя, дискретный транзистор обрабатывает рассеивание мощности. Оп-ампер приводит в движение базу транзистора (для биполярного) или затвор (для MOSFET), а коллектор транзистора (или дренаж) соединяется через чувствительный резистор с землей. Контур обратной связи регулирует ток излучателя (или источника) в соответствии с заданным значением. Эта компоновка перемещает тепло от усилителя и позволяет токам от десятков миллиампер до нескольких ампер при сохранении точности на уровне микроампера.

Отказ от напряжения в обычном режиме

В конфигурациях раковины входы усилителя опоры должны работать в диапазоне напряжения, присутствующем на терминале нагрузки. Для проектирования тока погружения от источника напряжения, который изменяется во время тестирования, требуются усилители опа с высоким коэффициентом отклонения общего режима (CMRR). AD8610 и OPA227 предлагают CMRR выше 120 дБ, сохраняя изменение тока ниже 1 мкА для изменения 10 В при нагрузке. Для поглотителей, работающих с отрицательными источниками, входной диапазон общего режима опа усилителя должен включать отрицательный рельс, что делает необходимым использование устройств ввода с двойным подачей или рельс-рельс.

Передовые архитектуры Circuit

Базовые конструкции одноопорных усилителей служат многим приложениям, но требовательное испытательное оборудование требует повышенной производительности. Улучшенные топологии устраняют ограничения в напряжении соответствия, выходном импедансе и чувствительности к температуре.

Howland Current Source

Источник тока Howland использует конфигурацию дифференциального усилителя для обеспечения двунаправленного выхода тока с более высоким импедансом выхода, чем базовая конструкция. Два пути обратной связи создают сбалансированный мост, который заставляет ток нагрузки зависеть только от входного напряжения и заданного резистора, независимо от импеданса нагрузки. Эта топология особенно полезна для измерений импеданса электродов и смещения электрохимического датчика, где импеданс нагрузки варьируется в широком диапазоне. Точность зависит от соответствия резистора, требующего 0,01% сетей допуска для CMRR выше 100 дБ.

Усовершенствованный Howland с буфером

Добавление буфера с единым коэффициентом усиления между выходом усилителя и резистором обратной связи устраняет нагрузочный эффект сети обратной связи на выходной стадии. Эта модификация улучшает выходное сопротивление на высоких частотах и сохраняет точность при движении емкостных нагрузок. Буфер также изолирует тепловые эффекты на выходной стадии от прецизионных резисторов обратной связи, улучшая долгосрочную стабильность.

Захваченные текущие источники

Ботстраппинг увеличивает напряжение соответствия с помощью второго операционного усилителя для повышения напряжения питания первичного токоустанавливающего операционного усилителя. Этот метод позволяет источнику тока регулировать широкий диапазон выходного напряжения без необходимости высоковольтного питания для схемы управления. Задержанные источники появляются в прецизионных калибраторах и кривых трассерах, где напряжения соответствия 100 В или более необходимы при сохранении разрешения тока на уровне микроампера.

Текущие диапазоны Switched-Gain

Испытательное оборудование часто требует нескольких диапазонов тока. Подход с переключаемым коэффициентом усиления использует прецизионные реле или аналоговые переключатели для выбора различных смысловых резисторов и диапазонов опорного напряжения. Конструкция должна учитывать сопротивление контакта переключателя и тепловые ЭМП, особенно на низких уровнях тока, где ошибки уровня миллиомов становятся значительными. Переключение Кельвина с четырехконцевыми соединениями сохраняет точность в изменениях диапазона, а реле с позолоченными контактами минимизируют дрейф сопротивления, связанный с окислением.

Практическая реализация в испытательном оборудовании

Тестовое оборудование реального мира требует больше, чем теоретические характеристики.Прогнозирование, управление температурой и защита схем определяют, достигает ли конструкция своей прогнозируемой точности в производственных средах.

PCB Layout для точности

Связи резисторов чувств должны использовать датчик Кельвина с отдельными силовыми и чувственными следами для устранения перепадов напряжения из-за сопротивления меди ПХБ. Инвертирующий вход усилителя оптического соединения соединяется непосредственно с терминалом резистора чувств без каких-либо промежуточных сквозняков или разъемов, которые могут вводить эффекты термопары. Наземные плоскости должны быть разделены между аналоговым опорным путем и путем возврата мощности, чтобы предотвратить модуляцию опорного напряжения высокими токами. Охранные кольца вокруг узлов высокого давления, особенно входов усилителя оптического действия, уменьшают токи утечки, которые в противном случае создавали бы ошибки смещения.

Термический менеджмент

Рассеивание мощности в смысле резистора и пропускного транзистора вызывает локализованное нагревание, которое сдвигает значения компонентов и генерирует термоэлектрические напряжения. Использование резисторов с низкими коэффициентами самонагрева и их размещение вдали от эталонного и операционного усилителя минимизирует тепловые градиенты. Теплопогружение для пропускных транзисторов должно учитывать временную тепловую реакцию во время импульсного тестирования, где быстрые циклы выключения вызывают колебания температуры кристалла, которые отражают форму волны тока нагрузки.

Защита и обработка ошибок

Калибровка и проверка точности

Для достижения заданной точности токоисточники тока требуют калибровки по внешним стандартам. Процедура калибровки предполагает измерение выходного тока с помощью точного амперметра или через калиброванный шунтовый резистор, затем корректировку опорного напряжения или компенсацию ошибок смещения. Программная калибровка, хранящаяся в энергонезависимой памяти, позволяет компенсировать ошибки усиления и смещения от эталонного, чувственного резистора и усилителя опции в совокупности.

Методы самокалибровки

Передовое испытательное оборудование включает встроенные калибровочные опорные источники, которые позволяют источнику тока измерять и исправлять собственные ошибки. Стабильный опорный источник напряжения и прецизионный ADC измеряют фактическое чувственное напряжение и вычисляют фактический ток. Затем система настраивает цифровой потенциометр или DAC, чтобы свести на нет ошибку. Этот подход компенсирует эффекты старения в ощущении резистора и усилителя, продлевая интервалы калибровки до нескольких лет.

Подробный пример процедур калибровки для источников тока прецизионного тока см. в примечании к применению приборов для калибровки Аналоговые приборы по калибровке Дополнительная информация о выборе сенсорных резисторов доступна в руководстве по применению прецизионных резисторов Vishay . Для углубленного анализа стабильности источника тока Howland, обратитесь к отчету о применении Texas Instruments по источникам дифференциального тока .

Шум и Ripple Performance

Работа с низким уровнем шума имеет решающее значение, когда высокоточные источники тока обеспечивают чувствительные схемы измерения, такие как датчики моста или усилители низкого уровня. Источники шума включают в себя опорное напряжение, шум входного напряжения усилителя оптического напряжения и тепловой шум от сенсорного резистора. Уменьшение полосы пропускания петли управления с фильтром низкого пропускания на опорном входе ослабляет высокочастотные шумовые компоненты, не влияя на точность постоянного тока.

Фильтрация стратегий

Фильтр второго порядка Sallen-Key между исходным источником и неинвертирующим входом усилителя оптики обеспечивает угловые частоты ниже 1 Гц для приложений с ультранизким шумом. Компоненты фильтра должны использовать конденсаторы с низкой диэлектрической поглощением и резисторы металлической пленки, чтобы избежать введения дрейфа или микрофоники. Для импульсных тестовых приложений, где имеет значение время оседания, подход с двумя путями использует быстрый путь для переходного ответа и фильтрованный путь для конечной точности, переключаясь между ними во время последовательности испытаний.

Отказ от энергоснабжения

Риппл от переключения блоков питания в источник тока через op amp питающие штифты и опорную цепь. Выделенные линейные пострегуляторы для op amp питания и опорного питания улучшают коэффициент отбраковки питания (PSRR) на 40 дБ и более. Пи-фильтры с использованием ферритовых шариков и электролитических конденсаторов на входе в печатную плату обеспечивают дополнительное затухание для частот выше 1 МГц.

Применение в производственных испытаниях

Точные источники тока и поглотители выполняют различные роли в производственных испытательных средах. Тестеры полупроводниковых параметров используют программируемые источники тока для форсирования тока при измерении напряжения, извлекая такие параметры, как коэффициент идеальности диода и бета-транзистор. Системы калибровки датчиков применяют точные токи к детекторам температуры сопротивления и тензодатчикам для имитации известных физических условий, проверки линейности системы и смещения.

Характеристика компонентов

Характеристика диодов Зенера и эталонов напряжения требует поиска известных токов при измерении стабильности напряжения с течением времени. Точный ток, выполненный с возможностью извлечения 10 мкА из тестируемого устройства, выявляет шум напряжения и долгосрочный дрейф, которые будут оставаться скрытыми с менее стабильным током. Для тестирования мощности MOSFET источники импульсного тока доставляют высокие пиковые токи без перегрева устройства, что позволяет измерять сопротивление и транспроводимость при заданных условиях эксплуатации.

Тестирование и моделирование аккумуляторов

В испытательном оборудовании для аккумуляторов используются программируемые токоприемники для применения контролируемых нагрузок на разряд и источников для имитации профилей зарядки. Точность регулирования тока непосредственно влияет на расчетную емкость и измерения внутреннего сопротивления. Точные источники тока с соответствием напряжения батареи диапазону напряжения позволяют проводить испытания в полном диапазоне состояния заряда, от 4,2 В на ячейку до напряжения отключения, сохраняя при этом точность тока 0,05%.

Интеграция с цифровым управлением

Современное испытательное оборудование подключает схемы прецизионного тока к цифровым системам управления через DAC для установки опорного напряжения и ADC для мониторинга фактического тока. Цифровой интерфейс позволяет автоматически тестировать последовательности и регистрировать данные при сохранении аналоговой точности компонентов, устанавливающих ток. Изолирующие барьеры, оптические или магнитные, защищают чувствительные каналы измерения от наземных контуров, когда несколько источников тока имеют общий испытательный прибор.

Коэффициенты калибровки

Встроенные микроконтроллеры хранят индивидуальные коэффициенты калибровки для каждого диапазона токов и рабочего состояния. Полиномиальные коррекции компенсируют нелинейность в смысле резистора и вариацию усиления усилителя с выходным напряжением. Типичная коррекция использует полином третьего порядка для уменьшения остаточных ошибок от 0,1% до менее 0,01% по всему диапазону соответствия без необходимости дорогостоящих аналоговых комплектующих отделки.

Руководство по внедрению цифровой калибровки в испытательном оборудовании см. в примечании по применению системы цифровой калибровки Maxim Integrated .

Будущие направления в точном текущем дизайне

Достижения в технологии op amp продолжают раздвигать границы того, что достижимо с цепями источника тока. Усилители с нулевым напряжением с офсетным напряжением ниже 1 мкВ устраняют доминирующий термин ошибки для приложений с низким током, позволяя токам источника в диапазоне наноамперов с точностью более 1%. Высоковольтные усилители op теперь предлагают ± 100 В с интегрированной защитой, упрощая конструкцию источников тока с расширенным соответствием без дискретных стадий транзистора.

Цифровые петли обратной связи, работающие наряду с аналоговым управлением, обещают адаптивную полосу пропускания, которая адаптируется к изменениям сопротивления нагрузки в режиме реального времени. Такие системы поддерживают стабильность в более широком диапазоне условий испытаний, сохраняя при этом точность постоянного тока аналогового эталонного пути. Поскольку испытательное оборудование требует более высокой пропускной способности и меньшей неопределенности, эти гибридные архитектуры станут стандартными в платформах для испытаний производства следующего поколения.