大学电子专业集成运算放大器指标测试

实验二十集成运算放大器指标测试一、实验目的（l）加深对集成运算放大器特性和参数的理解。（2）学习集成运算放大器主要性能指标的测试方法。三、实验仪器及设备（1）低频信号发生器1台（2）晶体管毫伏表1台（3）双踪示波器1台（4）双路稳压电源1台（5）数字式万用表l块（6）微型计算机系统1套二、实验原理集成运算放大器是一种高增益的直接耦合放大电路，在理想情况下，集成运放的Aud=∞、Ri=∞、UOS=0、IOS=0、KCMR=∞。但是实际上并不存在理想的集成运算放大器。为了解实际运放与理想运放的差别，以便正确使用集成运算放大器，有必要研究其实际特性，并对其主要指标进行测试。集成运放组件的各项指标通常是由专用仪器进行测试的，下面介绍的是运放主要指标的简易测试方法。本实验采用的集成运放为双列直插式组件μA741（或LM741），引脚排列如图20－1示，②脚和③脚为反相和同相输入端，⑥脚为输出端，⑦脚和④脚为正、负电源端，①脚和⑤脚为失调调零端，①⑤脚之间可接入几十KΩ的电位器，滑动触头接到负电源端，⑧脚为空脚。图20－1μA741管脚图图20－2U0S、I0S、IIB测试电路1．集成运放主要指标测试（1）输入失调电压U0S理想运放组件当输入信号为零时，其输出也为零。但是即使是最优质的集成组件，由于运放内部差动输入级参数的不完全对称，输出电压往往不为零，这种零输入时输出不为零的现象称为集成运放的失调。在常温下，当输入信号为零时，集成运放的输出电压不为零，该输出电压称为输出失调电压。为了使输出电压回到零，需要在输入端加上反向补偿电压，该补偿电压称为输入失调电压U0S。U0S的大小主要反映了运放内部差分输入级中两个三极管UBE的失配程度。当运放的输入外接电阻（包括信号源内阻）比较小时，失调电压及其温漂往往是引起运放误差的主要原因。失调电压测试电路如图20－2所示。闭合开关K1及K2，使电阻RB短接，测量此时的输出电压U01即为输出失调电压，则输入失调电压O1F11OSURRRU实际测出的U0S可能为正，也可能为负，一般在1～5mV，对于高质量的运放U0S在1mV以下。测试中应注意：①将运放调零端开路。②要求电阻R1和R2，R3和RF的参数严格对称。（2）输入失调电流I0S在常温下，当输入信号为零时，集成运算放大器两个输入端的输入电流之间的差值称为输入失调电流I0S，设IB1和IB2分别是运放同相输入端和反相输入端的输入电流，则输入失调电流I0S=│IB1－IB2│。输入失调电流的大小反映了运放内部差分输入级中两个三极管基极静态电流的失配程度。当集成运算放大器的输入端外接电阻比较大时，输入失调电流及其温漂是造成运放误差的主要原因。输入失调电流的测试电路如图20－2所示，电路中R1=R2，R3=RF，而且两个输入端上的电阻RB必须精确配对才能保证测量精度。测量方法是：①闭合开关K1及K2，在低输入电阻下，测出输出电压U01，如前所述，这是由输入失调电压U0S所引起的输出电压。②断开K1及K2，两个输入电阻RB接入，此时，输出电压U02可以看作是由输入失调电压U0S和输入失调电流I0S共同引起的。由于RB阻值较大，RBR1，因此输入电流IB1和IB2在电阻R1和R2上的压降可以忽略。流经它们的输入电流的差异，将变成输入电压的差异，因此，也会影响输出电压的大小，可见测出两个电阻RB接入时的输出电压U02，若从中扣除输入失调电压U0S的影响，则输入失调电流I0S为BF1101O2B2B1OS1RRRRUUIII一般,I0S约为几十～几百nA(10-9A)，高质量运放IOS低于1nA。测试中应注意：①将运放调零端开路。②两输入端电阻RB必须精确配对。（3）输入偏置电流IIB输入偏置电流是指在常温下，且输入信号为零时，集成运算放大器两个输入端输入电流的平均值，即)(2121BBIBIII。集成运放的IIB一般在10nA～1μA范围内。输入偏置电流的测试电路如图20-2所示。(电路中的两个开关K1和K2在实验中可利用导线的接通与否来取代开关)当K1断开、K2闭合时，若测得运放输出电压为UO3，则))(1(113BBOSFORIURRU当K1闭合、K2断开时，若测得运放输出电压为UO4，则))(1(214BBOSFORIURRU两式相减，得：)1)((12143RRIIRUUFBBBOO因此，输入偏置电流为：BFOOBBIBRRRRUUIII1)(21)(21114321在测量输入偏置电流IIB时，应注意：（1）只有当集成运放的输出电压尚未达到饱和值时，测试电路所获得的各项测试结果才是正确的。（2）在测试时，应该用示波器监视输出电压波形，若发现集成运放的输出端产生自激，则必须加补偿电容，以消除自激振荡。（4）开环差模放大倍数Aud集成运放在没有外部反馈时的直流差模放大倍数称为开环差模电压放大倍数，用Aud表示。它定义为开环输出电压U0与两个差分输入端之间所加信号电压Uid之比id0udUUA按定义Aud应是信号频率为零时的直流放大倍数，但为了测试方便，通常采用低频（几十Hz以下）正弦交流信号进行测量。由于集成运放的开环电压放大倍数很高，难以直接进行测量，故一般采用闭环测量方法。Aud的测试方法很多，一般采用同时引入直流反馈和交流反馈的测试方法，如图20－3所示。图20－3Aud测试电路被测运放一方面通过RF、R1、R2引入直流反馈，以抑制输出电压失调；另一方面通过RF和RS引入交流反馈，输入回路中的电阻R1和R2同时又起到对输入交流信号uS进行分压衰减的作用，使uid足够小，以保证运放工作在线性区。同相输入端电阻R3应与反相输入端电阻R2相匹配，以减小输入偏置电流的影响。电容C为隔直电容。被测运放的开环电压放大倍数为i021id0ud)(1UURRUUA通常低增益运放Aud约为60～70db，中增益运放约为80db，高增益在100db以上，可达120～140db。测试中应注意：①测试前电路应首先消振及调零。②被测运放要工作在线性区。③输入信号频率应较低，一般用50～100HZ，输出信号幅度应较小，且无明显失真。（5）共模抑制比KCMR集成运放的差模电压放大倍数Ad与共模电压放大倍数AC之比称为共模抑制比(dB)20lgCdCMRCdCMRAAKAAK或共模抑制比KCMR在应用中是一个很重要的参数，理想运放对输入的共模信号其输出为零。但在实际的集成运放中，其输出不可能没有共模信号的成分，输出端共模信号愈小，说明电路对称性愈好，也就是说运放对共模干扰信号的抑制能力愈强，即KCMR愈大。KCMR的测试电路如图20－4所示。图20－4KCMR测试电路集成运放工作在闭环状态下的差模电压放大倍数为1FdRRA当接入共模输入信号Uic时，测得U0C，则共模电压放大倍数为iC0CCUUA得共模抑制比0CiC1FCdCMRUURRAAK测试中应注意：①消振与调零②R1与R2、R3与RF之间阻值严格对称③输入信号Uic幅度必须小于集成运放的最大共模输入电压范围Uicm（6）共模输入电压范围Uicm集成运放所能承受的最大共模电压称为共模输入电压范围，超出这个范围，运放的KCMR会大大下降，输出波形产生失真，有些运放还会出现“自锁”现象以及永久性的损坏。Uicm的测试电路如图20-5所示。被测运放接成电压跟随器形式，输出端接示波器，观察最大不失真输出波形，从而确定Uicm值。图20－5Uicm测试电路图20－6UOPP测试电路（7）输出电压最大动态范围Umax集成运放的动态范围与电源电压、外接负载及信号源频率有关。测试电路如图20－6所示。改变uS幅度，观察u0削顶失真开始时刻，从而确定u0的不失真范围，这就是运放在某一定电源电压下可能输出的电压峰峰值Uomax。（8）转换速率RS转换速率RS反映了集成运放对信号变化速度的适应能力。在大信号条件下，集成运放的输出电压随时间的最大变化率称为转换速率，即maxdtdvSoR，单位为sV/。集成运算放大器一般在每微秒零点几伏以上，高速型运放的转换速率高达每微秒上百伏。转换速率与运放的电路结构、反馈深度及补偿网络有关，手册中给出的RS一般是在运放接成电压跟随器或反相器的情况下测得的。RS的测试电路如图20—7所示，图中被测运放构成反相器。对于最大允许共模输入电压较高的集成运放，也可接成电压跟随器。若输入信号是前沿陡峭的大幅度方波（峰峰值≥1V），则由输出波形υO的过渡区斜率（一般取0.9omV～0.9omV），可得到被测运放的转换速率，如图20—8所示。由图可得：129.09.0tVtVSomomR若测得正向与负向的转换速率不同，则应取其中数值较小者。图20—7RS测试电路图20—8RS测试波形当采用正弦电压作为输入信号时，设正弦输出电压为ftVvoo2sin(max)，式中Vo(max)为集成运放的最大不失真输出电压。则转换速率为：(max)max2ooRfVdtdvS，由此可得：fSVRo2(max)。可见，集成运放的最大不失真输出电压幅度受运放工作频率的限制。随着频率的升高，由于转换速率一定，运放的最大不失真输出电压幅度将减小。当输入正弦波υs的频率太高时，由于受转换速率的限制，将出现输出电压的变化跟不上输入电压的变化，从而引起输出正弦波形严重失真，甚至使输出几乎成为三角波，而且幅度也将明显地减小，如图20—8所示。因此，通常集成运算放大器在大信号条件下的最高工作频率远低于小信号工作时的上限频率。图20—8因RS引起的失真（9）增益带宽积频率响应是运算放大器重要的交流参数。增益（A）越高，带宽（BW）越窄，增益带宽积为常数，即A*BW=常数。该常数决定于特定的放大器，开环时因增益太高，带宽很窄，所以很少使用。闭环时，增益1/RRAf(理想时)，它的大小与带宽成反比。放大倍数等于1时的带宽称为单位增益带宽。增益带宽积的测试电路如图20—9所示，图中fRRR//13。图20-9测试增益带宽积电路su可加入100mV的正弦波，用示波器同时观测输入输出波形，将结果填入表20-1中。表20-1增益带宽积测量值RfR1ABWA*BW110kΩ10kΩ2100kΩ10kΩ310MΩ10kΩ首先取表20-1中第一组数据Rf=R1=10kΩ,测量放大器的单位增益带宽，将信号发生器频率由低逐渐增高，直到A=0.707时所对应的频率就是运算放大器放大倍数等于1时的带宽，即单位增益带宽。再取表20-1中第2、3组数据，分别测出不同电压增益A时的带宽BW，通过计算求出增益带宽积A*BW。实验结果表明：增益增加时，带宽减小，但增益带宽积不变。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，应用时要特别注意这一点。2.集成运放在使用时应考虑的一些问题（1）输入信号选用交、直流量均可，但在选取信号的频率和幅度时，应考虑运放的频响特性和输出幅度的限制。（2）运放的调零。为提高运算精度，在运算前，应首先对直流输出电位进行调零，即保证输入为零时，输出也为零。当运放有外接调零端子时，可按组件要求接入调零电位器RW，调零时，将输入端接地，调零端接入电位器RW，用直流电压表测量输出电压U0，细心调节RW，使U0为零（即失调电压为零）。如运放没有调零端子，若要调零，可按图7－7所示电路进行调零。一个运放如不能调零，大致有如下原因：①组件正常，接线有错误。②组件正常，但负反馈不够强（RF／R1太大），为此可将RF短路，观察是否能调零。③组件正常，但由于它所允许的共模输入电压太低，可能出现自锁现象，因而不能调零。为此可将电源断开后，再重新接通，如能恢复正常，则属于这种情况。④组件正常，但电路有自激现象，应进行消振。⑤组件内部损坏，应更换好的集成块。(a)(b)图20－9调零电路（3）运放的消振。一个集成运放自激时，表现为即使输入信号为零，亦会有输出，使各种运算功能无法实现，严重时还会损坏器件。在实验中，可用示波器监视输出波形。为消除