ASRU卡上测量运算放大器的原理
ASRU卡上测量运算放大器的原理
文章目录
- ASRU卡上测量运算放大器的原理
- 测量运算放大器 (MOA)
- 理解运算放大器
- 基础运算放大器方程
- 数字化测量电路
测量运算放大器 (MOA)
ASRU 卡包含用于在线测试的源、检测器和 MOA 电路。图 2-18 显示了执行模拟在线测试的基本硬件配置。
模拟在线测试配置 (MOA)
被测元件用电阻器 Rx 表示。在测试程序的控制下，Pin 卡和 ASRU 卡继电器将被测元件切换到 MOA 电路中。当施加强激励源电压 Vs 时，通过检测器测量 MOA 的输出以确定元件 Rx 的值。
欲了解更多细节，请参见以下主题：
- 理解运算放大器
- 基础运算放大器方程
理解运算放大器
要了解 ASRU 卡上的 MOA 如何用于测试模拟组件，需要对运算放大器（op-amp）电路有一定的理解。在验证和编辑元件测试时，了解运算放大器以及它在 i3070 在线测试系统中如何被作为测量工具使用是有用的。这也有助于识别由于被测电路板上的电路拓扑引起的可能测量问题。
运算放大器的电气特性使其成为测试模拟组件的理想选择。理想的运算放大器具有以下特性：
- 无穷大的增益。
- 无穷大的带宽。
- 无穷大的输入阻抗。
- 零输入电流。
- 放大器参数（增益、带宽等）在所有温度下均保持稳定。
这些特性是选择运算放大器而不是电压表或欧姆表来进行测量的原因。因为这些仪器不能补偿与被测组件并联的组件，所以在进行在线测量时可能得到错误结果。与这些仪器相比，运算放大器在执行测试时可以使用较小的激励电压。在线测试的直流激励电压为 0.1 伏。使用如此小的激励可以防止周围设备中的任何 PN 结被开启。
假设运算放大器具有理想特性，运算放大器的教科书增益公式为：
Vmoa=RrefRx×VsV_{moa} = \frac{R_{ref}}{R_x} \times V_sVmoa=RxRref×Vs
其中，Vmoa 是运算放大器的输出电压，Vs 是输入（激励）电压，Rx 是被测组件，Rref 是反馈电阻。
然而，电压增益方程没有考虑一些非理想电路条件。图 2-19 说明了一个基本的运算放大器电路以及一些电流和电压方面的非理想电路条件。
基本运算放大器电路中的电流和电压
基本电路组件由运算放大器、输入电阻器 Rx 和反馈电阻器 Rref 组成。如果在电路输入端施加源电压 Vs，电流 I 流经 Rx。此电流也流入求和节点 N。如果运算放大器具有理想的无限输入阻抗特性，则所有电流 I 也通过反馈电阻 Rref。然而，因为没有运算放大器是完美的，一个非常小的偏置电流 Ib 流入反相输入。Ib 被认为是误差电流，因为理想情况下，所有电流都应该通过反馈电阻。剩余电流 (I – Ib) 流过反馈电阻 Rref。
图 2-19 还说明了运算放大器电路中的电压。电压降 Vin 是由误差电流 Ib 在运算放大器输入端造成的误差电压。Vmoa 是运算放大器的输出电压。
基础运算放大器方程
可以从运算放大器电路中的电流流动和电压推导出一些基本方程。根据基尔霍夫电流定律，进入和离开一个节点的电流之和等于零。因此，参考图 2-19：
- I在N点的和=0I_{在N点的和} = 0I在N点的和=0
- I=Ib+(I−Ib)I = I_{b}+(I-I_{b})I=Ib+(I−Ib)
- Vs−VinRx=I\frac{V_{s}-V_{in}}{R_{x}}=IRxVs−Vin=I
- Vin−VmoaRref=(I−Ib)\frac{V_{in}-V_{moa}}{R_{ref}}=(I-I_{b})RrefVin−Vmoa=(I−Ib)
方程 (3) 和 (4) 是欧姆定律 (I = E/R) 的推导。通过用方程 (3) 和 (4) 中的值替换 I 和 (I – Ib)，可以重写方程 (2)。
5.Vs−VinRx=Ib+Vin−VmoaRref\frac{V_{s}-V_{in}}{R_{x}}=I_b+\frac{V_{in}-V_{moa}}{R_{ref}}RxVs−Vin=Ib+RrefVin−Vmoa
如果方程 (5) 的两边都除以 (Vs – Vin)，新的方程是：
6.1Rx=Ib+(Vin−Vmoa)(Vs−Vin)Rref\frac{1}{R_{x}}=\frac{I_b+(V_{in}-V_{moa})}{(V_{s}-V_{in})R_{ref}}Rx1=(Vs−Vin)RrefIb+(Vin−Vmoa)
Rx 的值可以通过对方程 (6) 的两边取倒数来求得，得出方程：
- Rx=(Vs−Vin)RrefIb+(Vin−Vmoa)R_{x}=\frac{(V_{s}-V_{in})R_{ref}}{I_b+(V_{in}-V_{moa})}Rx=Ib+(Vin−Vmoa)(Vs−Vin)Rref
为了进一步简化方程 (7)，可以对 MOA 电路做出一些假设。首先假设误差电流 Ib 小到可以忽略不计，因此可以将方程中的这个值设为零。如果 Ib 很小，那么它引起的电压降 Vin 也小到可以忽略，因此也可以设为零。这些假设在方程 (8) 中显示。
- Rx=(VsRref)−VmoaR_{x}=\frac{(V_{s}R_{ref})}{-V_{moa}}Rx=−Vmoa(VsRref)
方程 (8) 是系统中最常用来计算 Rx 值的方程，它仅仅是运算放大器电压增益方程的一个变形版本：
- Vmoa=(−VsRref)RxV_{moa}=\frac{(-V_{s}R_{ref})}{R_x}Vmoa=Rx(−VsRref)
然而，方程 (9) 并不总是适用于所有在线测量。被测电路板的组件拓扑有时会放大运算放大器和 MOA 电路的非理想特性。当系统遇到困难的测量情况时，会使用一个等效于方程 (7) 的扩展方程。这种扩展测量方程的使用被称为增强。
数字化测量电路
ASRU 修订版 N 卡不仅提供经典的测量运算放大器（MOA）模拟测量能力，还包括一个新的数字化测量电路（DMC）。
DMC 可以加速电阻、电感、电容和类似电阻的测试（如跳线和保险丝）的测试时间。DMC 使用多个微控制器和一个带有数字信号处理（DSP）方法的模拟与数字转换器（ADC）来处理测量值。检测器可以同时捕获所有测量，从而提高测试的吞吐量。
图 2-20 显示了执行模拟在线测试的基本硬件配置。
模拟在线测试配置 (DMC)