大學(xué)電子專業(yè)集成運算放大器指標(biāo)測試

1、實驗二十集成運算放大器指標(biāo)測試一、實驗?zāi)康?1) 加深對集成運算放人器特性和參數(shù)的理解。(2) 學(xué)ai集成運算放大器主要性能指標(biāo)的測試zf法。三、實驗儀器及設(shè)備臺臺臺臺塊套(1) 低頻信號發(fā)生器(2) 晶體管毫伏表(3) 雙蹤示波器(4) 雙路穩(wěn)壓電源(5) 數(shù)字式萬川表(6) 微型計算機系統(tǒng)二、實驗原理集成運算放大器是一種高增益的直接耦合放大電路，在理想情況下，集成運放的aud = °°> ri=°°> tbs=o、i()s=o> k<mr=oo。但是實際上并不存在理想的集成運算放大器。為了解 實際運放與理想運放的差別，以便正確

2、使用集成運算放人器，有必要研究k實際特性，并對 其主要指標(biāo)進(jìn)行測試。集成運放組件的各項桁標(biāo)通常是由專用儀器進(jìn)行測試的，下而介紹的 是運放主要指標(biāo)的簡易測試方法。本實驗采川的集成運放為雙列直插式組件pa741 (或lm741)，引腳排列如圖20 1示, 腳和腳為反相和同相輸入端，腳為輸出端，腳和腳為正、負(fù)電源端，腳和腳 為失調(diào)調(diào)零端，腳之間可接入幾十kh的電位器，滑動觸尖接到負(fù)電源端，腳為空腳。8id+廠+2341+ uccucc圖20-1 ga741管腳圖圖202、/()s、測試電路1. 集成運放主要指標(biāo)測試(1) 輸入失調(diào)電壓ws理想運放組件當(dāng)輸入信號為零時，k輸出也為零。但是即使是蝻優(yōu)質(zhì)的

3、集成組件，由于 運放內(nèi)部差動輸入級參數(shù)的不完全對稱，輸出電壓往往不為零，這種零輸入時輸出不為零的現(xiàn)象稱為集成運放的失凋。在常溫下，當(dāng)輸入信兮為零時，集成運放的輸出電壓不為零，該輸出電壓稱為輸出失調(diào) 電壓。為了使輸出電壓回到零，耑要在輸入端加上反14補償電壓，該補償電壓稱為輸入失調(diào) 電壓ws。ws的人小主要反映了運放內(nèi)部差分輸入級屮兩個三極管ube的失配程度。當(dāng)運 放的輸入外接電阻（乜括信號源a?。┍容^小吋，失調(diào)電壓及其溫漂往往是引起運放誤差的 主要原因。失調(diào)電壓測試電路如圖20-2所示。閉合開關(guān)&及火2,使iwjiab短接，測量此時的 輸出電壓隊1即為輸出失調(diào)電壓，則輸入失調(diào)電壓實際測

4、出的討能為也可能為負(fù)，一般在15mv,對于高質(zhì)量的運放在lmv 以下。測試中應(yīng)注意：將運放調(diào)零端幵路。 要求電阻慫和a和知的參數(shù)嚴(yán)格對稱。（2）輸入失調(diào)電流/s在常溫下，當(dāng)輸入信號為零時，集成運算放人器兩個輸入端的輸入電流之閩的差值稱為 輸入失調(diào)電流/es，設(shè)和1b2分別是運放同相輸入端和反相輸入端的輸入電流，則輸入失 調(diào)電流/qs= | ibi-ib2|o輸入失調(diào)電流的大小反映了運放內(nèi)部差分輸入級中兩個三極管基極 靜態(tài)電流的失配程度。當(dāng)粢成運算放人器的輸入端外接電阻比較人時，輸入失調(diào)電流及w溫 漂是造成運放誤差的主耍原因。輸入失調(diào)電流的測試電路如圖202所示，電路屮rfrp r3=rf，而且

5、兩個輸入端上 的電阻rb必須精確配對冰能保證測量精度。測量方法是： 閉合開關(guān)及心，在低輸入電阻下，測出輸出電壓c/m,如前所述，這是由輸入失 調(diào)電壓/qs所引起的輸出電壓。 斷開1及1<2,兩個輸入電阻7?b接入，此時，輸出電壓隊2可以看作是由輸入失調(diào) 電壓和輸入失調(diào)電流心共同引起的。由于/?b阻值較大，rb»rp因此輸入電流ibi和 ib2在電阻心和r2上的壓降可以忽略。流經(jīng)它們的輸入電流的差兄，將變成輸入電壓的差 異，因此，也會影響輸岀電壓的大小，xt見測岀兩個電阻接入?yún)嫉妮敵鲭妷宏? ,若從 屮扣除輸入失調(diào)電壓隊3的影響，則輸入失調(diào)電流為r' 1/?, + /?f

6、 rb一般,/os約為兒十兒白na（10'9a）,髙質(zhì)量運放/os低于ina。 測試中應(yīng)注意：將運放調(diào)零端開路。兩輸入端電阻/?b必須精確配對。（3）輸入偏置電流ilb輸入偏置電流是指在常溫下，.l輸入信號為零吋，集成運算放大器兩個輸入端輸入電流 的平均值，即、二丄（/別+2）。集成運放的iib般在10na1ma范圍內(nèi)。輸入偏置電流的測試電路如圖20-2所示。（電路巾的兩個開關(guān)心和1<2在實驗中可利用 導(dǎo)線的接通與否來取代開關(guān)）當(dāng)氏斷開、心閉合時，若測得運放輸出電壓為uo3,則當(dāng)心閉合、&斷丌時，若測得運放輸出電汛為u)4，則兩式相減，得：3-04a (w 4)(1 +爭

7、)因此，輸入偏置電流為:i in =十辦 2= 2(u°3r' 1r + rf rb在測量輸入偏s電流im吋，應(yīng)注意：(1) 只有當(dāng)集成運放的輸出電壓尚未達(dá)到飽和值時，測試電路所獲得的各項測試結(jié)果才 足正確的。(2) 在測試時，應(yīng)該用示波器監(jiān)視輸出電壓波形，若發(fā)現(xiàn)集成運放的輸出端產(chǎn)生白激, 則必須加補償電界，以消除£)激振蕩。(4)開環(huán)差模放大倍數(shù)aud集成運放在沒有外部反饋吋的直流差模放大倍數(shù)稱為開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)，川jud表 示。它定義為開環(huán)輸出電壓與兩個差分輸入端之間所加信號電壓md之比ud按定義dud應(yīng)是信號頻率為零時的直流放大倍數(shù)，但為了測試方便，通常采

8、用低頻(幾 十hz以下)正弦交流信號進(jìn)行測量。由于糶成運放的開環(huán)電壓放人倍數(shù)很髙，難以直接進(jìn) 行測雖，故一般采川閉環(huán)測雖方法。的測試方法很多，一般采用同時引入直流反饋和交 流反饋的測試方法，如圖20 3所示。被測運放一方面通過7?f、和、/?2引入直流反饋，以抑制輸出電壓失調(diào)；另一方面通過 辦和爪引入交流反饋，輸入回路中的lwii ri和r2 m時又起到對輸入交流信號進(jìn)行分壓 袞減的作用，使足夠小，以保證運放工作在線性區(qū)。同相輸入端電肌&應(yīng)與反相輸入端 電阻&相匹配，以減小輸入偏置電流的影響。電為隔h電界。被測運放的開環(huán)電壓放 人倍數(shù)為=(1+通常低增益運放ad約為6070db

9、,屮增益運放約為80db,高增益在100db以上，可 達(dá) 120140db。測試中應(yīng)注意：測試前電路應(yīng)首先消振及調(diào)零。 被測運放要工作在線性區(qū)。 輸入倌號頻率應(yīng)較低，一般用50100hz,輸出倌號幅度應(yīng)較小， 且無明顯失真。(5)共模抑制比/ccmr集成運放的差模電壓放人倍數(shù)a,與共模電壓放人倍數(shù)/k之比稱為共梭抑制比或尺 cmr=201g(db)共模抑制比在應(yīng)川中是一個很秉要的參數(shù)，理想運放對輸入的共模信號其輸出為 零。似在實際的集成運放巾，其輸出不可能沒有共模信號的成分，輸出端共模信號愈小，說 明電路對稱性愈好，也就是說運放對丼模干擾信號的抑制能力愈強，即久mr愈人。amk的 測試電路如閔

10、204所示。糶成運放工作在閉環(huán)狀態(tài)下的差模電壓放大倍數(shù)為ad=當(dāng)接入共模輸入信號me時，測得隊c,則共模電壓放大倍數(shù)為ic得共模抑制比cmraac測試中應(yīng)注意：消振與調(diào)零 r'與r2、&與外之間阻值嚴(yán)格對稱 輸入信號me幅度必須小于集成運放的最人共模輸入電壓范圍meni（6）共模輸入電壓范圍c/icm集成運放所能承受的最大丼模電壓稱為；r模輸入電壓范圍，超岀這個范圍，運放的tcmr 會人人下降，輸出波形產(chǎn)生失真，有些運放還會出現(xiàn)鎖”現(xiàn)象以及永久性的損壞。/的測試電路如圖20-5所示。被測運放接成電hi跟隨器形式，輸出端接示波器，觀察敁人不失真輸出波形，從而確記 cicni 值。

11、圖20-5隊測試電路圖206仏測試電路（7）輸出電壓最大動態(tài)范圍t/max集成運放的動態(tài)范圍與電源電壓、外接負(fù)載及信號源頻率宥關(guān)。測試電路如圖20 6所示。改變ws幅度，觀察吻削頂失真開始時刻，從而確定咐的不失真范圍，這就是運放在某一定電源電壓下可能輸出的電壓峰峰值（/qmax。（8）轉(zhuǎn)換速率么轉(zhuǎn)換速率，反映了集成運放對信號變化速度的適應(yīng)能力。在大信號條件下，集成運放 的輸出電壓隨時闖的最人變化率稱為轉(zhuǎn)換速率，即人,單位為廠/腳。集成運i dt imax算放大器一般在毎微秒零點兒伏以上，高速型運放的轉(zhuǎn)換速率高達(dá)每微秒上百伏。轉(zhuǎn)換速率與運放的電路結(jié)構(gòu)、反饋深度及補償網(wǎng)絡(luò)有關(guān)，手冊中給出的般是在運

12、放接成電壓跟隨器或反相器的情況下測得的。，的測試電路如圖207所示，圖中被測運 放構(gòu)成反相器。對于最大允許共模輸入電壓較高的集成運放，也可接成電壓跟隨器。若輸入信號是前沿陡峭的人幅度萬波（峰峰值31v），則由輸出波形的過渡區(qū)斜率 （一般取0.9g0.9匕：），可得到被測運放的轉(zhuǎn)換速率，如圖208所示。由圖可得：v , 0-9r；w _ 0.9k；o d 一一az2 ar,若測得正14與負(fù)a的轉(zhuǎn)換速率不同，則應(yīng)取其屮數(shù)值較小蕎。圖207人測試1 li路v<>圖2085測試波形當(dāng)采用正弦電壓作為輸入信號時，設(shè)正弦輸出電灰為匕=lma?0sin2祈，式屮為集成運放的最大不失真輸出電壓。則

13、轉(zhuǎn)換速率為：& = &=潭*抝,曲此可得：i a laxkona、=l。可見，集成運放的最人不失真輸出電伍幅度受運放工作頻率的限制。隨著頻率的升高，由于轉(zhuǎn)換速率一定，運放的鉍大不失真輸出電壓幅度將減小。當(dāng)輸入正弦波 的頻率太高時，由于受轉(zhuǎn)換速率的限制，將出現(xiàn)輸出電壓的變化跟不上輸入電壓的變化，從 而引起輸出弦波形嚴(yán)重火真，甚至使輸出幾乎成為三角波，而k幅度也將明顯地減小，如 圖208所示。因此，通常集成運算放人器在人信號條件k的最高工作頻率遠(yuǎn)低于小信號工 作時的上限頻率。(9)增益帶寬積頻率響應(yīng)是運算放大器重耍的交流參數(shù)。增益(a)越高，帶寬(bw)越窄，增益帶寬 積為常數(shù)，即

14、a*bw=常數(shù)。該常數(shù)決定于特定的放大器，開環(huán)吋因增益太高，帶寬很窄，所 以很少使用。w環(huán)吋，增益.a = -rf/r' (理想?yún)?，侖的人小與帶寬成反比。放人倍數(shù)等 于1吋的帶寬稱為單位增益帶寬。增益帶寬積的測試電路如閣20-9所示，圖中=斤hr”圖20-9測試增益帶寬積電路人可加入100mv的正弦波，川示波器同時觀測輸入輸出波形，將結(jié)果填入表20-1屮。表20-1增益帶寬積測雖值rfr1abw八懼110k q10k q2100k q10k q310mq10k q酋先取表20-1屮第一纟fl數(shù)據(jù)rf=rl=10kq,測暈放人器的單位增益帶寬，將信號發(fā)生器 頻率由低逐漸增島，直到a=0

15、.707吋所對應(yīng)的頻率就足運算放人器放人倍數(shù)等于1吋的帶 寬，即單位增益帶寬。再取表20-1屮第2、3組數(shù)據(jù)，分別測出不同電壓增益a吋的帶寬 bw，通過計算求出增益帶寬積a*bv。實驗結(jié)果表明：增益增加吋，帶寬減小，但增益帶寬積不變。因此運算放大器在給定電 壓增益下，其最高工作頻率受到增益帶寬積的限制，應(yīng)用時耍特別注意這一點。2. 集成運放在使用時應(yīng)考慮的一些問題(1) 輸入信號選用交、過流景均可，但在選取信號的頻率和幅度時，應(yīng)考慮運放的頻響 特性和輸出幅度的限制。(2) 運放的調(diào)零。為提髙運算精度，在運算前，應(yīng)酋先對直流輸出電位進(jìn)行調(diào)零，即 保證輸入為零時，輸出也為零。當(dāng)運放有外接調(diào)零端子吋

16、，可按組件要求接入調(diào)零電位器 7?w，調(diào)零吋，將輸入端接地，調(diào)零端接入電位器7?w,用直流電壓表測量輸出電壓m),細(xì)心 調(diào)節(jié)/?w，使隊為零(即失調(diào)電壓為零)。如運放沒杏調(diào)零端子，若要調(diào)零，可按圖7-7 所示電路進(jìn)行調(diào)零。一個運放如不能調(diào)零，大致冇如下原因： 組件正常，接線有錯誤。 組件正常，但負(fù)反饋不夠強太大)，為此可將知短路，觀察是否能凋零。 組件正常，似由于它所允許的共模輸入電壓太低，可能出現(xiàn)£1鎖現(xiàn)象，因而不能調(diào) 零。為此可將電源斷開后，再重新接通，如能恢sie常，則屬于這種情況。 組件正常，但電路有自激現(xiàn)象，應(yīng)進(jìn)行消振。 組件內(nèi)部損壞，應(yīng)更換好的集成塊。rfrf(b)圖 2

17、09凋；電路表現(xiàn)為即使輸入信號為零，亦會杏輸出，使（3）運放的消振。一個集成運放自激時 各種運算功能無法實現(xiàn)，嚴(yán)重時還會損壞器件。在實驗屮，可用示波器監(jiān)視輸出波形。為消 除運放的£）激，常采川如k措施： 若運放有和位補償端子，可外接rc補償電路，產(chǎn)品手冊中提供了補償電路及元件。 電路介線、元、器件介局應(yīng)盡量減少分介電容。 在正、負(fù)電源進(jìn)線與地之間接上幾十|if的電解屯容和0.01o.lpf的陶瓷電容相并 聯(lián)以減小電源引線的影響。四、實驗內(nèi)容實驗前看清運放管腳排列及電源電壓極牲及數(shù)值，切忌正、負(fù)電源接反。1. 測量輸入失調(diào)電壓按圖202連接實驗電路。閉合開關(guān)心、k2,用直流電壓表測量輸

18、出端電壓,并 計算t/os，記入表202。2. 測量輸入失調(diào)電流/«s實驗電路如圖202。斷開開關(guān)k2,測量t/02,并計算/os ,記入表201。3. 測量輸入偏置電流iiu實驗電路如圖202。斷開、k2閉合,測量c/03; kq閉合、k2斷開，測量（/04,并 計算/ib，記入表202。4. 測量開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)aud按閣203連接實驗電路，運放輸入端加戶50hz, （7s = 50mv正弦信號，用示波器監(jiān)視 輸出波形。用交流毫伏表測量c/o和ca，并計算記入表202。5. 測量共模抑制比/ccmr按圖204連接實驗電路，運放輸入端加戶50hz，uic=lv正弦信號，監(jiān)視輸出波形。 測量隊c和uic,計算/ccmr,記入表202。6. 測量共模輸入電壓范圍uicm按圖205述抜實驗電路，運放輸入端加ws （戶50hz）正弦信號，用示波器監(jiān)視輸!li 波形。改變的幅度，當(dāng)輸出咐出現(xiàn)削頂失真的臨界點,對應(yīng)的咐值即為c/iem。記入表20 2。7. 測量輸出電壓最大動態(tài)范圍fornax按圖20-6連接實驗電路，運放輸入端加（戶50hz）正弦信號，用示波器監(jiān)視