集成运算放大器的测试

83实验七集成运算放大器参数的测试一．实验目的1．了解集成运算放大器的主要参数。2．通过实验，掌握集成运算放大器主要参数的测试方法。二．预习要求1．复习集成运算放大器的技术指标，主要参数的定义及测试方法。2．了解用示波器观察运算放大器传输特性的方法。3．了解输入失调电压UIO和输入失调电流IIO产生的原因。三．实验设备名称型号或规格数量示波器日立V—2521直流稳压电源JWD—21函数信号发生器GFG－8020G（或8016G）1晶体管毫伏表DA—161万用表YX—960TR或其它型号1四．实验内容及测试方法反映集成运算放大器特性的参数主要有以下四大类：输入失调特性、开环特性、共模特性及输出瞬态特性。1．集成运算放大器的传输特性及输出电压的动态范围的测试运算放大器输出电压的动态范围是指在不失真条件下所能达到的最大幅度。为了测试方便，在一般情况下就用其输出电压的最大摆幅Uop-p当作运算放大器的最大动态范围。输出电压动态范围的测试电路如图1(a）所示。图中ui为100Hz正弦信号。当接入负载RL后，逐渐加大输入信号ui的幅值，直至示波器上显示的输出电压波形为最大不失真波形为止，此时的输出电压的峰峰值Uop-p就是运算放大器的最大摆幅。若将ui输入到示波器的X轴，uo输入到示波器的Y轴，就可以利用示波器的X—Y显示，观察到运算放大器的84传输特性，如图1(b)所示，并可测出Uop-p的大小。R1Rfuo+15V27UOP-PR2µA7416uo0uiui34-15V（a）运算放大器输出电压动态范围的测试电路（b）运算放大器的传输特性曲线图1（图中：R1=R2=1.2k，Rf=20k）Uop-p与负载电阻RL有关，对于不同的RL，Uop-p也不同。根据表1，改变负载电阻RL的阻值，记下不同RL时的Uop-p，并根据RL和Uop-p，求出运算放大器输出电流的最大摆幅Iop-p=Uop-p/RL，填入表1中。表1RLUop-pIop-p=Uop-p/RLRL=RL=1kRL=100运算放大器的Uop-p除了与负载电阻RL有关外，还与电源电压以及输入信号的频率有关。随着电源电压的降低和信号频率的升高，Uop-p将降低。如果示波器显示出运算放大器的传输特性，即表明该放大器是好的，可以进一步测试运算放大器的其它几项参数。2．集成运算放大器的输入失调特性及其测试方法集成运算放大器的基本电路是差分放大器。由于电路的不对称性必将产生输入误差信号。这个误差信号限制了运算放大器所能放大的最小信号，即限制了运算放大器的灵敏度。这种由于直流偏置不对称所引起的误差信号可以用输入失调电压UIO、输入偏置电流IB、输入失调电流IIO及它们的温度漂移来描述。（1）输入失调电压UIO的测试一个理想的运算放大器，当两输入端加上相同的直流电压或直接接地时，其输出端的直流电压应等于零。但由于电路参数的不对称性，输出电压并不为零，这种现象称为运算放大器的零点偏离或失调，为了使放大器的输出端电压回到零，必须在放大器的输入端加上一个电压来补偿这种失调。所加电压的大小称为该运算放大器的失调电压，用UIO表示。显然UIO越小，说明运算放大器参数的对称性越好。分析表明，运算放大器的UIO主要取决于输85入级差分对管Ube的对称性，UIO一般R1Rf为0.55mV。+15V失调电压的测试电路如图2所示。用27万用表（最好是数字万用表）测出其输出R1µA7416Uo电压Uo，则输入失调电压UIO可由下式计34算：Rf-15VofIOURRRU11（1）图2输入失调电压测试电路（2）输入失调电流的测试(图中：R1=100，Rf=100k)输入端偏置电流IB是指输出端为零电平时，两输入端基极电流的平均值，即：IB=（IB++IB）∕2式中IB+为同相输入端基极电流，IB为反相输入端基极电流。当电路参数对称时，IB+=IB。但实际电路中参数总有些不对称，其差值称为运算放大器的输入失调电流，用IIO表示：IIO=IB+IB显然，IIO的存在将使输出端零点偏离，信号源阻抗越高，失调电流的影响越严重。输入失调电流主要是由于构成差动输入级的两个三极管的值不一致引起的。IIO一般为1nA10A，其值越小越好。失调电流的测试电路与图2相同。用万用表分别测量同相端3对地的电压U3及反相端2对地的电压U2，则输入失调电流IIO可由下式计算：22RURUIIISSBBIO（2）输入失调电压UIO和输入失调电流IIO称为运算放大器的静态性能参数。3．运算放大器的开环特性及其测试方法反映运算放大器开环特性的参数主Rf要有：开环电压增益Auo、输入阻抗Ri、R3CR1+15V输出阻抗Ro及增益带宽积。信uiu'i27（1）开环电压增益Auo的测试号R2µA7416uo开环电压增益Auo是指运算放大器源34没有反馈时的差模电压增益，即运算放RP-15V大器的输出电压Uo与差模输入电压Ui之比值。开环电压增益通常很高，因此图3开环电压增益的测量电路只有在输入电压很小（几百微伏）时，才能保证输出波形不失真。但在小信号输入条件下测86试时，易引入各种干扰，所以采用闭环测量方法较好。测试开环电压增益Auo的电路如图3所示（图中R1=Rf=51kΩ，R2=RP=51，R3=1k，C=47µF）。选择电阻（R1+R2）R3，则开环电压增益Auo为：221'RRRUUUUAioiouo（3）用毫伏表分别测量Uo及Ui，由上式算出开环电压增益Auo。测量时，交流信号源的输出频率应小于100Hz，并用示波器监视输出波形，若有自激振荡，应进行相位补偿、消除振荡后才能进行测量。ui的幅度不能太大，一般取几十毫伏。（2）增益带宽积的测试Rf运算放大器可以工作在零频率+15V（即直流），因此它在截止频率fcuiR127处的电压增益比直流时的电压增益信µA7416uoCH1低3dB，故运算放大器的带宽BW号34示波器就等于截止频率fc。增益越高，源RP-15V带宽越窄，增益带宽积Auo·BWCH2=常数，当电压放大倍数等于1时，对应的带宽称为单位增益带宽。图4增益带宽积测量电路增益带宽积的测试电路如图4所示：其中信号源用来输出Ui=100mV的正弦波，示波器用来观测放大器的输入与输出波形。首先取表2中第一组阻值Rf=R1=10k，测量放大器的单位增益带宽。当信号源的输出频率由低逐渐增高时，电压增益Auo=Uo/Ui=1应保持不变。继续增高频率直到A´uo=0.707Auo时所对应的频率就是运算放大器电压放大倍数等于1时的带宽，即单位增益带宽。再取表中第二、第三组数据，分别测出不同电压增益Auo时的带宽BW，通过计算求出增益带宽积Auo·BW。实验结果表明：增益增加时，带宽减小，但增益带宽积不变（可能存在测量误差）。因此运算放大器在给定电压增益下，其最高工作频率受到增益带宽积的限制，应用时要特别注意。表2增益带宽积测量值RfR1AuoBWAuo·BW110k10k2100k10k31M10k87（3）开环输入阻抗的测试+15V运算放大器的开环输入阻抗Ri是27指运算放大器在开环状态下，输入差模uSuiµA7416信号时，两输入端之间的等效阻抗。信Rw34CH1开环输入阻抗的测试电路如图5所号-15V示波器示。其中信号源为输出电压US=1V，源频率fi=100Hz的正弦波，调节电位器CH2RW直到Ui=US/2时为止。关掉电源，取下电位器（注意不要碰电位器的滑动图5输入阻抗测试电路（其中：RW=2.2M）端），测量其阻值R，则输入阻抗Ri=Ro。输入阻抗Ri越大越好，这样运算放大器从信号源吸取的电流就越小。CfRfCuo（4）开环输出阻抗的测试R1+15V运算放大器开环输出阻抗Ro的信R'f27S测试电路如图6所示，选取适当的号uiµA7416RLRf、Cf和测试频率使运算放大器工源R2C'f34作在开环状态。先不接入RL，测出-15V其输出电压Uo；保持Ui不变，然后图6输出阻抗测试电路（图中R1=R2=51，接上RL，再测出此时的UoL（注意保Rf=100k，RL=100，C=Cf=Cf=47F）持输出波形不失真），按下式求出Ro：LoLooRUUR1（4）为了减小测量误差，应取RLRo。运算放大器的输出阻抗（开环）一般为几十至几千欧姆。4．共模抑制比的测试Rf集成运算放大器是一个双端输入、+15V单端输出的高增益直接耦合放大器。信R127因此，它对共模信号有很强的抑制能号R2µA7416uo力，电路参数越对称，共模抑制能力源ui34越强。共模抑制比CMRR等于运算放RP-15V大器的差模电压放大倍数Aud与共模。电压放大倍数Auc之比。一般用dB图7共模抑制比的测试电路（图中表示其单位。R1=R2=100，R3=Rf=100k）88)(lg20dBAACMRRucud（6）共模抑制比的测试电路如图7所示。其中信号源输出频率为100Hz，电压Ui=2V（有效值）的正弦波。用毫伏表测量输出电压Uo，则放大器的差模电压增益为：1RRAfud共模电压增益为：ioucUUA将Aud和Auc的值代入式（5）就可以算出共模抑制比CMRR。5.输出波形的瞬态特性及其测试方法Rf当运算放大器工作在大信号和开关状+15V态（如用作比较器）时，仅知道其频率特uiR127性是不够的，还必须了解电路的瞬态特性。信µA7416uoCH1运算放大器的瞬态特性主要通过转移速率号34示波器S和建立时间来描述。源Rp-15V（1）转移速率SR的测试CH2转移速率是指运算放大器在大幅度阶跃信号的作用下输出信号所能达到的最大图8(a)转移速率的测试电路变化率，单位为V/S。影响运算放大器转（图中R1=Rf=10k，RP=R1//Rf）移速率的主要因素是放大器的高频特性和ui相位补偿电容。一般补偿电容越大转移速率越慢。对正弦信号而言，SR决定了放大0t器在高频时所能达到的最大不失真幅度Uomax：maxmax2fSURouo对脉冲信号而言，SR就决定了输出波形所能达到的上升和下降时间。转移速率ΔUo0t的测试电路如图8(a)所示，信号源输出Δt10kHz的方波，电压Ui的峰—峰值为5V。示波器观测到的输入输出波形如图8(b)所示。转移速率U/t可由示波器测量，图8(b)输入/输出波形其中t为输出电压Uo从最小值升到最大值所需要的时间。转移速率越大，说明运算放大器89对输入信号的瞬时变化响应越好。在测试SR时，必须注意以下几点：a．由于SR与电路的工作状态有关。同一只运算放大器，在同相应用和反相应用时其SR将不一样；不同增益、不同补偿条件时，其SR也不一样，输出波形的上升速率和下降速率也不一样。因此，使用者应根据应用条件进行测试。生产厂家往往是以最慢的转移速率提供给用户参考。b．当运算放大器接成放大状态时，其反馈电阻Rf不能取得过大，否则将会给测试结果引进误差。Uo（2）建立时间tS的测试建立时间tS是指放大器输入一阶跃信号后，(1+δ)Uor从响应到最终稳定值（在规定的误差范围内）所Uor0t(1δ)Uor需要的时间，如图9所示。由图可见，tS是从输出波形的响应开始，到第一个进入误差范围ts（1）Uor内的峰值为止的这段时间。当运算放图9大器用作比较器时，往往就用tS来衡量该运算放大器的响应速度，tS越短，该运算放大器的瞬态响应越好，工作速度也越快。建立时间tS的测试电路如图10（a）所示。由于运算放大器工作在单位增益闭环状态，通过附加的支路，使得在A点处（对应的电压为UA）仅剩下输入信号与输出信号之差，其波形如图10（b）所示，再将此信号放大，就可以比较精确地测出tS之值。RUARuiRRUA+δUor+15V270tµA7416uotsδUor34-15V图10(a)建立时间tS的测试电路图10（b）A点处的波形（R=100k）五．实验报告要求1．画出实验电路图，标明元件值。902．对实验数据进行处理。3．分析实验结