通用集成運算放大器測試方法

1、運算放大器電參數(shù)測試方法通用集成運算放大器電路測試方法作者：李雷一、器件介紹集成運算放大器（簡稱運放）是模擬集成電路中較大的一個系列，也是各種電子系統(tǒng)中不可缺少的基本功能電路，它廣泛的應用于各種電子整機和組合電路之中。本文主要介紹通用運算放大器的測試原理和實用測試方法。 1運算放大器的分類從不同的角度，運算放大器可以分為多類：1 從單片集成規(guī)模上可分為：單運放（如：OP07A）、雙運放(AD712)、四運放(LM124)。2 從輸出幅度及功率上可分為：普通運放、大功率運放(LM12)、高壓運放（OPA445）。3 從輸入形式上可分為：普通運放、高輸入阻抗運放(AD515、LF353)。4 從電

2、參數(shù)上可分為：普通運放、高精密運放（例如：OP37A）、高速運放(AD847)等。5 從工作原理上可分為：電壓反饋型運放、電流反饋型運放（AD811）、跨倒運放(CA3180)等。6 從應用場合上可分為：通用運放、儀表運放（INA128）、音頻運放(LM386)、視頻運放(AD845)、隔離運放（BB3656）等。2通用運放的典型測試原理圖（INTERSIL 公司）李雷第 1頁2008-9-10運算放大器電參數(shù)測試方法二、電參數(shù)的測試方法以及注意事項一般來說集成運算放大器的電參數(shù)分為兩類：直流參數(shù)和交流參數(shù)。直流參數(shù)主要包括：失調(diào)電壓、偏置電流、失調(diào)電流、失調(diào)電壓調(diào)節(jié)范圍、輸出幅度、大信號電壓

3、增益、電源電壓抑制比、共模抑制比、共模輸入范圍、電源電流十項。交流參數(shù)主要包括：大信號壓擺率、小信號過沖、單位增益帶寬、建立時間、上升時間、下降時間六項。而其中電源電流、偏置電流、失調(diào)電流、失調(diào)電壓、輸出幅度、開環(huán)增益、電源電壓抑制比、共模抑制比、大信號壓擺率、單位增益帶寬這十項參數(shù)反映了運算放大器的精度、速度、放大能力等重要指標，故作為考核運放器件性能的關鍵參數(shù)。通常運算放大器電參數(shù)的測試分為兩種方法：一種是單管測試法，另一種是帶輔助放大器的測試方法。盡管單管測試法外圍線路較為簡單，但由于不同運放各項電參數(shù)差異很大，不利于計算機測試系統(tǒng)實現(xiàn)自動測試，故在生產(chǎn)測試中較少采用（有興趣的人員可參考

4、北京市半導體器件研究所李銘章教授編寫的運算放大器電參數(shù)測試方法）。為了能采用統(tǒng)一的測量線路實現(xiàn)自動測試，發(fā)展了利用輔助放大器進行測試的新方法。該測試方法具有以下優(yōu)點：1）被測器件的直流狀態(tài)能自動穩(wěn)定，且易于建立測試條件；2）環(huán)路具有較高的增益，有利于微小量的精確測量；3）可在閉環(huán)條件下實現(xiàn)開環(huán)測試；4）易于實現(xiàn)不同參數(shù)測試的轉換，有利于實現(xiàn)自動測試。鑒于運放輔助放大器測試方法所具有的優(yōu)越性，該方法已被國際電工委員會（IEC）確定為運算放大器測試標準。我測試中心基于 LTX77 測試系統(tǒng)開發(fā)的通用運放測試包也是參考了該標準而設計的（可參考由胡浩同志編寫的運放測試包規(guī)范）。圖 1 為運放的輔助放大

5、器測試方法的基本原理圖。圖中運放 A 為輔助放大器，DUT 為被測運放。輔助放大器應滿足以下要求：a 開環(huán)增益大于 60Db；b 輸入失調(diào)電流和輸入偏值電流應很??；李雷第 2頁2008-9-10c 動態(tài)范圍足夠大環(huán)路元件應滿足下列要求：a RI*IIB<<VIOb R<<RIOc R*IIB>>VIOd ROS<<RF<<RIOe R1=R2f R1>>RL運算放大器電參數(shù)測試方法g RF/RI 值決定了測試精度，但必須保證輔助運放在線性區(qū)工作。式中：IIB-被測器件的輸入偏置電流 VIO-被測器件的輸入失調(diào)電壓 RIO-

6、被測器件的開環(huán)差模輸入電阻 ROS-輔助放大器的開環(huán)輸出電阻注：我測試中心通用運放測試包中 RI=50 OHM，RF=10K OHM，R1=R2=100K OHM，RL=2K,10K OHM。采用的輔助運算放大器為 LF353。2參數(shù)測試（主要介紹 10 項常規(guī)電參數(shù)的測試）21 輸入失調(diào)電壓（VOS）211定義：運放輸出電壓為零（或規(guī)定值時：針對單電源運放測試）時，運放兩輸入端間所加的直流補償電壓。212測試原理圖213測試說明失調(diào)電壓（VOS）測試原理如圖 2，圖中 A 為輔助放大器，其要求是閉環(huán)增益大于 40DB，李雷第 3頁2008-9-10運算放大器電參數(shù)測試方法有一定的輸出幅度，一

7、般運放均可使用。由圖看來，只要接入被測器件（DUT），由于總體環(huán)路很強的負反饋作用，被測器件的輸出能自動調(diào)零，其總輸出電壓為： VL=(VOS+IOS*RI)(1+RF/RI) 當 IOS*RI<<VOS，且 RF/RI>>1 時則有 VOSRI/RF*VL=VL/(RF/RI) 若 RF=10K RI=50 OHM那末 VOS=VL/200有式可見只要測的 VL 值即可計算出失調(diào)電壓 VOS。214注意事項 1）當被測器件為單電源運放時，K4 應連接到 VREF（即 LTX-77 系統(tǒng)的 VS1），并設置VREF 為-1.4V（使被測器件輸出為+1.4V），被測器件的

8、輸出在正常的范圍之內(nèi)。 2）輸入失調(diào)電壓的溫度系數(shù)（溫度漂移）的定義：在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，單位溫度變化所引起的輸入失調(diào)電壓的變化率。計算公式為： &VOS=(VOS2-VOS1)/(TA2-TA1) 3)輸入失調(diào)電壓的調(diào)零（失調(diào)電壓調(diào)解范圍的測試）左圖中運放的管腳 1 和管腳 5 是失調(diào)電壓調(diào)零端。右圖為運放失調(diào)電壓調(diào)零典型連接方法。4）運放失調(diào)電壓的單管測試法對一些復合電路（如：PWM 器件）采用單管測試法測試 VOS 參數(shù)是非常方便的。圖 4為該方法的原理圖，由圖看出：VO=(VOS+IOS*RI)*(1+RF/RI) 當RF=10K，RI=100OHM李雷第 4頁2008-9-1

9、0運算放大器電參數(shù)測試方法時被測器件接成 100 倍的放大器。則 VOS=VO/100。因此只要測得 VO，即可得到 VOS。22輸入失調(diào)電流（IOS）221定義：使被測器件輸出電壓為零（或規(guī)定值：針對單電源運放測試）時，流入兩輸入端的電流之差。222測試原理圖223測試說明失調(diào)電流 IOS 的測量。原理如圖 5 所示，測試分兩步進行，第一步 K1，K2 同時閉合，R 被短路，輔助運放輸出為VL1=(1+RF/RI)*(VOS+IOS*RI)第二步將 K1，K2 同時斷開，接入電阻 R，輔助輸出為：VL2=(1+RF/RI)*(VOS+IOS*RI+IOS*R)兩電壓求差得：VL2-VL1=(

10、1+RF/RI)*IOS*R所以：IOS=(VL2-VL1)/(R*(1+RF/RI) 當 RF/RI=200 時IOS=(VL2-VL1)/(200*R)顯然選用適當?shù)?R 值，只要測得&VL 即可求出失調(diào)電流 IOS 之值。224 注意事項 1）當被測器件為單電源運放時，K4 應連接到 VREF（即 LTX-77 系統(tǒng)的 VS1），并設置VREF 為-1.4V（使被測器件輸出為+1.4V），被測器件的輸出在正常的范圍之內(nèi)。 2）輸入失調(diào)電流的溫度系數(shù)（溫度漂移）的定義：在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，單位溫度變化所引起的輸入失調(diào)電流的變化率。計算公式為： &IOS=(IOS2-IOS1

11、)/(TA2-TA1) 3) R、RI、RF 應滿足下列要求：IOS*R>>VOS 同時 IOS*(RIRF)<<VOS R、RI、RF 的精度決定了測試精度。23 輸入偏置電流 IB李雷第 5頁2008-9-10運算放大器電參數(shù)測試方法231 定義：使被測器件輸出電壓為零（或規(guī)定值：針對單電源運放測試）時，流入兩輸入端電流的平均值。IB=(IB_+IB+)/2232 測試原理圖233測試說明輸入偏置電流IB的測試，測試原理圖與測IOS的原理圖完全相同。測試仍分兩步進行。第一步，繼電器K1 斷開，K2 閉合，可測得： VL1=(1+RF/RI)*(VOS+IB-*R+I

12、OS*RI)。第二步，K2斷開，K1 閉合，可測得：VL2=(1+RF/RI)*(VOS-IB+*R+IOS*RI)。兩電壓求差得：VL1-VL2=(1+RF/RI)*(IB_+IB+)*R所以：IB=(IB_+IB+)/2=(VL1-VL2)/(R*(1+RF/RI)。當RF/RI=200 時： IB=&VL/(400*R)注意事項關于運放的輸入偏置電流和輸入失調(diào)電流的測試，若按圖 5 的原理進行測試，由計算公式可知，它是靠偏置電流在輸入端串接的電阻R上產(chǎn)生的壓降來進行測試的，但由于各種不同輸入類型的運算放大器輸入偏置電流差別太大，從幾個PA到幾十個UA約有106數(shù)量級的差別，如果選

13、用某一固定的電阻R不可能對大多數(shù)運放進行精確的測量。因此我測試中心基于LTX-77 測試系統(tǒng)的通用運放測試包中對運放的這兩項參數(shù)的測試采用了電流電壓轉換法來進行測試。以下做一簡單介紹：如測試原理圖（圖 6）中的 A2 是一高輸入阻抗的精密運放，由于它的輸入偏置電流IB<0.1PA，因此對測量大于 10PA 的電流來說可以忽略它的影響。當開關 K3 接 2 端時，被測器件（DUT）的輸入偏置電流（IB+或 IB_視開關 K1、K2 的狀態(tài)而定）經(jīng) K3 流入電流電壓轉換電路，在 A2 的輸出端產(chǎn)生一電壓 VA，由于放大器 A2 虛地作用，其反相輸入端電壓也近似穩(wěn)定在地電位，因此該電路的接入

14、并不影響測試環(huán)路的狀態(tài)。偏置電流的計算很簡單，當 IB_接入 A2 時，由流壓轉換器的輸出測得電壓 VA，則 IB_=VA/R9。對于 10Na 以上的偏置電流的測量均可采用這種方法。李雷第 6頁2008-9-10運算放大器電參數(shù)測試方法但對于 10Na 以下電流的測量，由于電流在電阻 R9 上產(chǎn)生的壓降太小，不能準確地測出電壓值（VA），這時可采用積分的方法。即在被測電流 IB+(或 IB_)接入 A2 電路后，斷開 K4 使電容 C 被 IB+(或 IB_)充電，并在某一時刻（T1）采得該時刻的輸出電壓 VA1,由于 A2 反相端始終為地點位（虛地），因此充電電流 IB+(或 IB-)在充

15、電過程中保持不變，設在 T2 時刻由 A2 輸出端采得電壓為 VA2，則可由下式計算出電流 IB+(或 IB_)： IB+(或 IB_)=K*(VA2-VA1)/(T2-T1) 式中 K 為一比例常數(shù)。由上式的結果就可進一步算出輸入偏置電流 IB 和輸入失調(diào)電流 IOS 分別為： IB=(IB+IB-)/2 IOS=IB+-IB-我測試中心所采用的電流電壓轉換器中A2為AD515 ，R9=1MOHM，C=100PF ，T2-T1=100ms。（詳細資料可參考通用運放測試包文檔）24靜態(tài)功耗 PD241定義：輸入端無信號且輸出端無負載時，器件所消耗的電源功率。242測試原理圖（見圖 7）243測

16、試說明：被測器件電源端施加規(guī)定的電壓，開關 K4 接地（或規(guī)定的參考電壓）。在電源端 V+及 V-分別測得 I+及 I-。由下式計算出 PD：PD=(V+*I+)+(V-*I-)244注意事項：1)使用 LTX-77 系統(tǒng)中通用運放包測試功耗（或靜態(tài)電流）時，要注意斷開輸出負載（OPEN VI4），否則測得的功耗偏大。2)測試高速運放時（如 LM118，AD847 等），為提高功耗測試的準確性，可以禁止輔助運算放大器（CLOSE CBITS A BITS 10）。3)測試雙運放、四運放時，要注意有些產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊中的功耗為單個運放的。李雷第 7頁2008-9-1025運算放大器電參數(shù)測試方法開環(huán)

17、電壓增益（Avd）251定義：器件開環(huán)時，輸出電壓變化與差模輸入電壓變化之比。252測試原理圖（圖 8）李雷第 8頁2008-9-10253測試說明：運算放大器電參數(shù)測試方法開環(huán)增益 Avd 的測試，測試電路圖如圖 8 所示。測試 Avd 時，根據(jù)規(guī)定接入適當?shù)呢撦d RL，（注：若測試條件規(guī)定負載值為 R1 時，RL 可不接入，負載即為R1）。確定負載后即可進行測試。第一步先將開關 K4 置于位置 1，接入信號源+VREF，則被測器件輸出電壓 VO1=-VREF（因為輔助運放虛地的作用）。此時輔助運放的輸出電壓：VL1=-(1+RF/RI)*(VREF/Avd)+(1+RF/RI)*(VOS+

18、IOS*RI)第二步再將 K4 置于 2 位置，接入信號源-VREF，則 VO2=+VREF。輔助運放輸出電壓為：VL2=(1+RF/RI)*(VREF/Avd)+(1+RF/RI)*(VOS+IOS*RI)。兩電壓求差得：VL2-VL1=2*(1+RF/RI)*(VREF/Avd)所以：Avd(RF/RI)*2*VREF/(VL2-VL1) 若：RF/RI=200 且 VREF=10V 則：Avd=200*20V/&VL 或 Avd=20*log(200*20V/&VL) (dB)因此只要測得&VL，即可求得 Avd 值。254注意事項：1） 開環(huán)增益的測試分為兩種方

19、法：直流測試法和交流測試法。這兩種方法原理基本相同。我公司基于LTX-77測試系統(tǒng)的通用運放包采用直流測試法。2） 對于高速運放，為精確測試出其開環(huán)增益，可適當延長測試時間（加長測試等待時間）同時采用差分測試方法。3） 國外部分電路生產(chǎn)廠家對該項參數(shù)的定義分為正開環(huán)增益（+Avd）和負開環(huán)增益(-Avd)，測試器件時要加以注意。4） 我測試中心對開環(huán)增益參數(shù)測試能力為140dB。對于更高增益的器件不能保證測試精度。26輸出電壓幅度 Vopp 261定義：器件在規(guī)定的電源電壓和負載下，所能輸出的最大峰峰值電壓。262測試原理圖（同圖 8）263測試說明：開關 K4 置于“1”，在被測器件（DUT

20、）輸出端測得電壓 VO1。開關 K4 置于“2”，在被測器件（DUT）輸出端測得電壓 VO2。VO2、VO1 分別為器件正、負輸出峰值電壓。264注意事項：1） VREF 必須大于被測器件的輸出峰值電壓 (Vopp)，一般情況下設定 VREF 值為電源電壓值（VS）。2） 有些功率運放（如：LM12）該項參數(shù)采用飽和壓降來表示（VS-Vopp），應特別注意。3） 為簡化測試線路，可采用單管法開環(huán)測試器件的輸出峰值電壓。（對儀表運放、PWM 器件尤為簡便）27 電源電壓抑制比 KSRR271 定義：電源的單位電壓變化所引起的器件輸入失調(diào)電壓的變化率。272 測試原理圖（見圖 9）273 測試說明

21、：電源電壓抑制比±KSRR 的測試，原理圖如圖 9。整體測試分為三步進行：第一步，將 K 置于位置“1”上，此時被測器件（DUT）的電源電壓為正常電壓李雷第 9頁2008-9-10運算放大器電參數(shù)測試方法（±VS），得出輔助運放（A）輸出電壓 VL1。(VL1=VOS)第二步，將 K 置于位置“2”上，此時被測器件（DUT）的電源電壓為+VS+&V、-VS-&V，測出輔助運放輸出電壓為 VL2 第三步，將 K 置于位置“3”上，此時被測器件（DUT）的電源電壓為+VS-&V、-VS+&V，測出輔助運放輸出電壓為 VL3 由 KSRR 定義（&

22、amp;VO/&VS）可得：KSRR1=(VL2-VL1)/(2*&V)*(RI/(RF+RI)KSRR2=(VL3-VL1)/(2*&V)*(RI/(RF+RI)若正電源電壓變化變化&V，負電源電壓不變，在輔助放大器（A）輸出端測得電壓 VL4。則：KSRR+=(VL4-VL1)/&V*(RI/(RI+RF)若負電源電壓變化變化&V，正電源電壓不變，在輔助放大器（A）輸出端測得電壓 VL5。則：KSRR-=(VL5-VL1)/&V*(RI/(RI+RF)。274注意事項：1） 如果輔助放大器A的電源電壓也隨著被測器件電源電壓一同變化，則

23、要求其 KSRR 值比被測器件的 KSRR 值至少高一個數(shù)量級。2） 不少器件參數(shù)手冊中 KSRR 采用分貝值表示，此時要特別注意參數(shù)的換算。3） 測試該項參數(shù)時，不需要單獨加負載。28 共模抑制比 CMRR281 定義：差模電壓增益與共模電壓增益之比。282 測試原理圖（見圖 10、圖 11）283 測試說明：共模抑制比 CMRR 的測試?？捎脙煞N方法：第一種方法：由器件輸入端加入共模信號的測試（簡稱共模輸入法），測試原理如圖 10 所示。測試過程分兩步，第一步將開關 K 置于位置“1”，此時在輔助放李雷第 10頁2008-9-10運算放大器電參數(shù)測試方法大器 A 的輸出測得電壓 VL1。則

24、 VL1=(1+RF/RI)*(VOS+IOS*RI)+(1+RF/RI)*VIC+/CMRR第二步將 K 置于“2”位置，在輔助放大器輸出端測得電壓 VL2。 VL2=(1+RF/RI)*(VOS+IOS*RI)+(1+RF/RI)*VIC-/CMRR兩式相減可得：VL1-VL2=(1+RF/RI)*(VIC+-VIC_)/CMRR CMRR=(1+RF/RI)*( VIC+-VIC_)/&VL 如以分貝表示，則 CMRR=20*LOG(1+RF/RI)*( VIC+-VIC_)/&VL)因此只要測得 VL1、VL2 即可求得 CMRR 值。共模輸入法的缺點是要求電阻 RF

25、和 RI 的精確度要優(yōu)于 0.01%。同時測試線路的裝配也要特別注意。為克服這一缺點。目前通常采用變電源法測試 CMRR。第二種方法：變電源法測試 CMRR。測試原理圖如圖 11， 由圖可看出，當開關K 置于位置“1”時，被測器件正電源變?yōu)?VCC+VS，負電源 VEE 變?yōu)?VEE+VS，被測器件輸出變?yōu)?VS，這就使加在 DUT電源與輸出端之間的電壓不變，這與在 DUT 輸入端加入 VS 電壓等效。同理當 K 置于“2”位置時，VCC 變?yōu)?VCC-VS，VEE 變?yōu)?VEE-VS，DUT 輸出變?yōu)?VS，這與在 DUT 輸入端加入-VS 電壓等效。由圖 11 可看出，由于被測器件兩輸入端

26、對地電位為零，因此電阻 RF、RI 不精確就不會引入共模誤差電壓，誤差只反映在（1+RF/RI）項中，故只要求 RF 和RI 的精度小于 10%即可。這就從理論上解決了測量高共模抑制比器件的問題，目前我測試中心通用運放測試包通常采用該方法。李雷第 11頁2008-9-10284注意事項：運算放大器電參數(shù)測試方法291） 采用共模輸入法測試 CMRR 時要滿足VIC<VICM。式中 VICM 為被測器件的最大共模輸入電壓。2） 采用變電源法測試 CMRR 時要滿足VS<Vopp。式中 Vopp 為被測器件的輸出峰峰值電壓。3） 利用我公司通用運放測試包測試高共模抑制比器件時（80dB

27、），一般建議采用變電源法進行測試，以提高測試精度。大信號壓擺率（轉換速率 Sr）291定義：輸入端在施加規(guī)定的大信號階躍脈沖電壓時，輸出電壓隨時間的最大變化率。292測試原理圖：（見圖 12）李雷第 12頁2008-9-10運算放大器電參數(shù)測試方法293測試說明：通常情況下 Sr 參數(shù)的測試線路有兩種：倒向器法和跟隨器法。如圖 12 所示，器件輸入端施加規(guī)定的脈沖信號電壓，在器件的輸出端從規(guī)定過沖量的輸出脈沖電壓上升沿（或下降沿）的恒定變化率區(qū)內(nèi)，測的輸出的電壓幅度Vo 和對應的時間 tt。由下式計算出壓擺率 Sr：Sr=Vo/tt。294注意事項：1） 測試器件時負載電阻、負載電容應符合器件詳細規(guī)范的規(guī)定。2） 輸入脈沖信號的電壓幅度、上升時