集成運(yùn)算放大器的測試

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上實(shí)驗(yàn)七 集成運(yùn)算放大器參數(shù)的測試一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 了解集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)。2 通過實(shí)驗(yàn)，掌握集成運(yùn)算放大器主要參數(shù)的測試方法。 二 預(yù)習(xí)要求1 復(fù)習(xí)集成運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)，主要參數(shù)的定義及測試方法。2 了解用示波器觀察運(yùn)算放大器傳輸特性的方法。3 了解輸入失調(diào)電壓UIO和輸入失調(diào)電流IIO產(chǎn)生的原因。三實(shí)驗(yàn)設(shè)備名 稱型 號 或 規(guī) 格數(shù) 量示波器日立V2521直流穩(wěn)壓電源JWD21函數(shù)信號發(fā)生器GFG8020G（或8016G）1晶體管毫伏表DA161萬用表YX960TR或其它型號1四實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及測試方法反映集成運(yùn)算放大器特性的參數(shù)主要有以下四大類：輸入失調(diào)特性、開

2、環(huán)特性、共模特性及輸出瞬態(tài)特性。1 集成運(yùn)算放大器的傳輸特性及輸出電壓的動(dòng)態(tài)范圍的測試運(yùn)算放大器輸出電壓的動(dòng)態(tài)范圍是指在不失真條件下所能達(dá)到的最大幅度。為了測試方便，在一般情況下就用其輸出電壓的最大擺幅Uop-p 當(dāng)作運(yùn)算放大器的最大動(dòng)態(tài)范圍。輸出電壓動(dòng)態(tài)范圍的測試電路如圖1(a）所示。圖中ui 為100Hz正弦信號。當(dāng)接入負(fù)載RL后，逐漸加大輸入信號ui 的幅值，直至示波器上顯示的輸出電壓波形為最大不失真波形為止，此時(shí)的輸出電壓的峰峰值Uop-p就是運(yùn)算放大器的最大擺幅。若將ui輸入到示波器的X軸，uo輸入到示波器的Y軸，就可以利用示波器的XY顯示，觀察到運(yùn)算放大器的傳輸特性，如圖1 (b)

3、 所示，并可測出Uo p-p 的大小。 R1 Rf uo +15V 2 7 UOP-P R2 µA741 6 uo 0 ui ui 3 4 -15V （a） 運(yùn)算放大器輸出電壓動(dòng)態(tài)范圍的測試電路 （b） 運(yùn)算放大器的傳輸特性曲線圖1（圖中：R1 = R2 = 1.2kW，Rf= 20kW）Uop-p 與負(fù)載電阻RL有關(guān)，對于不同的RL，Uop-p也不同。根據(jù)表1，改變負(fù)載電阻RL的阻值，記下不同RL時(shí)的Uop-p，并根據(jù)RL和Uop-p，求出運(yùn)算放大器輸出電流的最大擺幅Iop-p = Uop-p /RL，填入表1中。表1RLUop-pIop-p= Uop-p / RLRL =

4、65;RL = 1 kWRL = 100W 運(yùn)算放大器的Uop-p除了與負(fù)載電阻RL有關(guān)外，還與電源電壓以及輸入信號的頻率有關(guān)。隨著電源電壓的降低和信號頻率的升高，Uop-p 將降低。 如果示波器顯示出運(yùn)算放大器的傳輸特性，即表明該放大器是好的，可以進(jìn)一步測試運(yùn)算放大器的其它幾項(xiàng)參數(shù)。2 集成運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)特性及其測試方法 集成運(yùn)算放大器的基本電路是差分放大器。由于電路的不對稱性必將產(chǎn)生輸入誤差信號。這個(gè)誤差信號限制了運(yùn)算放大器所能放大的最小信號，即限制了運(yùn)算放大器的靈敏度。這種由于直流偏置不對稱所引起的誤差信號可以用輸入失調(diào)電壓UIO、輸入偏置電流IB、輸入失調(diào)電流IIO及它們的溫度漂

5、移來描述。 （1）輸入失調(diào)電壓UIO的測試一個(gè)理想的運(yùn)算放大器，當(dāng)兩輸入端加上相同的直流電壓或直接接地時(shí)，其輸出端的直流電壓應(yīng)等于零。但由于電路參數(shù)的不對稱性，輸出電壓并不為零，這種現(xiàn)象稱為運(yùn)算放大器的零點(diǎn)偏離或失調(diào)，為了使放大器的輸出端電壓回到零，必須在放大器的輸入端加上一個(gè)電壓來補(bǔ)償這種失調(diào)。所加電壓的大小稱為該運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓，用UIO表示。顯然UIO越小，說明運(yùn)算放大器參數(shù)的對稱性越好。分析表明，運(yùn)算放大器的UIO主要取決于輸入級差分對管Ube的對稱性，UIO一般 R1 Rf 為0.5 5mV 。 +15V 失調(diào)電壓的測試電路如圖2所示。用 2 7 萬用表（最好是數(shù)字萬用表）測出其

6、輸出 R1 µA741 6 Uo電壓Uo，則輸入失調(diào)電壓UIO可由下式計(jì) 3 4算： Rf -15V （1） 圖2 輸入失調(diào)電壓測試電路 （2）輸入失調(diào)電流的測試 (圖中：R1=100W，Rf = 100kW ) 輸入端偏置電流IB是指輸出端為零電平時(shí)，兩輸入端基極電流的平均值，即： IB =（IB+IB-）2 式中IB+ 為同相輸入端基極電流，IB- 為反相輸入端基極電流。當(dāng)電路參數(shù)對稱時(shí)，IB+ = IB- 。但實(shí)際電路中參數(shù)總有些不對稱，其差值稱為運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電流，用IIO表示： IIO = IB+ - IB-顯然，IIO的存在將使輸出端零點(diǎn)偏離，信號源阻抗越高，失調(diào)電

7、流的影響越嚴(yán)重。輸入失調(diào)電流主要是由于構(gòu)成差動(dòng)輸入級的兩個(gè)三極管的b值不一致引起的。IIO一般為1nA 10mA，其值越小越好。失調(diào)電流的測試電路與圖2相同。用萬用表分別測量同相端3對地的電壓U3及反相端2對地的電壓U2 ，則輸入失調(diào)電流IIO可由下式計(jì)算： （2）輸入失調(diào)電壓UIO和輸入失調(diào)電流IIO稱為運(yùn)算放大器的靜態(tài)性能參數(shù)。3 運(yùn)算放大器的開環(huán)特性及其測試方法反映運(yùn)算放大器開環(huán)特性的參數(shù)主 Rf 要有：開環(huán)電壓增益Auo、輸入阻抗Ri、 R3 C R1 +15V輸出阻抗Ro 及增益帶寬積。 信 ui u'i 2 7 （1）開環(huán)電壓增益Auo的測試 號 R2 µA741

8、 6 uo開環(huán)電壓增益Auo是指運(yùn)算放大器 源 3 4沒有反饋時(shí)的差模電壓增益，即運(yùn)算放 RP -15V 大器的輸出電壓Uo與差模輸入電壓Ui 之比值。開環(huán)電壓增益通常很高，因此 圖3 開環(huán)電壓增益的測量電路只有在輸入電壓很小（幾百微伏）時(shí)，才能保證輸出波形不失真。但在小信號輸入條件下測試時(shí)，易引入各種干擾，所以采用閉環(huán)測量方法較好。測試開環(huán)電壓增益Auo的電路如圖3所示（圖中R1 = Rf= 51k，R2 = RP = 51W，R3 = 1kW，C = 47µF）。選擇電阻（R1 + R2）>>R3，則開環(huán)電壓增益Auo為： （3）用毫伏表分別測量Uo及Ui ，由上式算

9、出開環(huán)電壓增益Auo。測量時(shí)，交流信號源的輸出頻率應(yīng)小于100Hz，并用示波器監(jiān)視輸出波形，若有自激振蕩，應(yīng)進(jìn)行相位補(bǔ)償、消除振蕩后才能進(jìn)行測量。ui 的幅度不能太大，一般取幾十毫伏。（2） 增益帶寬積的測試 Rf 運(yùn)算放大器可以工作在零頻率 +15V（即直流），因此它在截止頻率fc ui R1 2 7處的電壓增益比直流時(shí)的電壓增益 信 µA741 6 uo CH1低3dB，故運(yùn)算放大器的帶寬BW 號 3 4 示波器就等于截止頻率fc 。增益越高， 源 RP -15V 帶寬越窄，增益帶寬積Auo·BW CH2=常數(shù)，當(dāng)電壓放大倍數(shù)等于1時(shí)， 對應(yīng)的帶寬稱為單位增益帶寬。 圖

10、4 增益帶寬積測量電路增益帶寬積的測試電路如圖4所示：其中信號源用來輸出Ui = 100mV的正弦波，示波器用來觀測放大器的輸入與輸出波形。首先取表2中第一組阻值Rf = R1 = 10kW，測量放大器的單位增益帶寬。當(dāng)信號源的輸出頻率由低逐漸增高時(shí)，電壓增益Auo = Uo/ Ui = 1應(yīng)保持不變。繼續(xù)增高頻率直到A´uo = 0.707 Auo時(shí)所對應(yīng)的頻率就是運(yùn)算放大器電壓放大倍數(shù)等于1時(shí)的帶寬，即單位增益帶寬。再取表中第二、第三組數(shù)據(jù)，分別測出不同電壓增益Auo時(shí)的帶寬BW，通過計(jì)算求出增益帶寬積Auo·BW。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：增益增加時(shí)，帶寬減小，但增益帶寬積不變（

11、可能存在測量誤差）。因此運(yùn)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(shí)要特別注意。表2 增益帶寬積測量值RfR1AuoBWAuo·BW110kW10kW2100kW10kW31MW10kW （3）開環(huán)輸入阻抗的測試 +15V 運(yùn)算放大器的開環(huán)輸入阻抗Ri 是 2 7 指運(yùn)算放大器在開環(huán)狀態(tài)下，輸入差模 uS ui µA741 6 信號時(shí)，兩輸入端之間的等效阻抗。 信 Rw 3 4 CH1開環(huán)輸入阻抗的測試電路如圖5所 號 -15V 示波器示。其中信號源為輸出電壓US = 1V， 源 頻率fi = 100Hz的正弦波，調(diào)節(jié)電位器 CH2 RW直到Ui

12、= US /2 時(shí)為止。關(guān)掉電源，取下電位器（注意不要碰電位器的滑動(dòng) 圖5輸入阻抗測試電路（其中：RW =2.2MW）端），測量其阻值R，則輸入阻抗Ri = Ro。輸入阻抗Ri 越大越好，這樣運(yùn)算放大器從信號源吸取的電流就越小。 Cf Rf C uo （4）開環(huán)輸出阻抗的測試 R1 +15V 運(yùn)算放大器開環(huán)輸出阻抗Ro的 信 R'f 2 7 S測試電路如圖6所示，選取適當(dāng)?shù)?號 ui µA741 6 RLRf、Cf和測試頻率使運(yùn)算放大器工 源 R2 C'f 3 4作在開環(huán)狀態(tài)。先不接入RL，測出 -15V 其輸出電壓Uo；保持Ui 不變，然后 圖6 輸出阻抗測試電路（

13、圖中R1 = R2 = 51W，接上RL，再測出此時(shí)的UoL（注意保 Rf = 100kW，RL = 100W，C = Cf = C¢f = 47mF）持輸出波形不失真），按下式求出Ro： （4）為了減小測量誤差，應(yīng)取RL » Ro。運(yùn)算放大器的輸出阻抗（開環(huán)）一般為幾十至幾千歐姆。4 共模抑制比的測試 Rf 集成運(yùn)算放大器是一個(gè)雙端輸入、 +15V單端輸出的高增益直接耦合放大器。 信 R1 2 7因此，它對共模信號有很強(qiáng)的抑制能 號 R2 µA741 6 uo力，電路參數(shù)越對稱，共模抑制能力 源 ui 3 4越強(qiáng)。共模抑制比CMRR等于運(yùn)算放 RP -15V 大

14、器的差模電壓放大倍數(shù)Aud與共模。 電壓放大倍數(shù)Auc之比。一般用dB 圖7 共模抑制比的測試電路（圖中表示其單位。 R1 = R2 = 100W，R3 = Rf = 100kW） （6）共模抑制比的測試電路如圖7所示。其中信號源輸出頻率為100Hz，電壓Ui = 2V（有效值）的正弦波。用毫伏表測量輸出電壓Uo，則放大器的差模電壓增益為： 共模電壓增益為： 將Aud和Auc的值代入式（5）就可以算出共模抑制比CMRR。 5. 輸出波形的瞬態(tài)特性及其測試方法 Rf當(dāng)運(yùn)算放大器工作在大信號和開關(guān)狀 +15V態(tài)（如用作比較器）時(shí)，僅知道其頻率特 ui R1 2 7性是不夠的，還必須了解電路的瞬態(tài)特

15、性。 信 µA741 6 uo CH1運(yùn)算放大器的瞬態(tài)特性主要通過轉(zhuǎn)移速率 號 3 4 示波器S和建立時(shí)間來描述。 源 Rp -15V （1）轉(zhuǎn)移速率SR的測試 CH2 轉(zhuǎn)移速率是指運(yùn)算放大器在大幅度階躍信號的作用下輸出信號所能達(dá)到的最大 圖8 (a) 轉(zhuǎn)移速率的測試電路變化率，單位為V/mS。影響運(yùn)算放大器轉(zhuǎn) （圖中R1 = Rf = 10kW，RP = R1 /Rf）移速率的主要因素是放大器的高頻特性和 ui相位補(bǔ)償電容。一般補(bǔ)償電容越大轉(zhuǎn)移速率越慢。對正弦信號而言，SR決定了放大 0 t器在高頻時(shí)所能達(dá)到的最大不失真幅度Uomax： uo 對脈沖信號而言，SR就決定了輸出波形所

16、能達(dá)到的上升和下降時(shí)間。轉(zhuǎn)移速率 Uo 0 t的測試電路如圖8(a) 所示，信號源輸出 t10kHz的方波，電壓Ui 的峰峰值為5V。 示波器觀測到的輸入輸出波形如圖8 (b) 所示。轉(zhuǎn)移速率DU/Dt可由示波器測量， 圖8 (b) 輸入/輸出波形其中Dt為輸出電壓Uo從最小值升到最大值所需要的時(shí)間。轉(zhuǎn)移速率越大，說明運(yùn)算放大器對輸入信號的瞬時(shí)變化響應(yīng)越好。在測試SR時(shí)，必須注意以下幾點(diǎn)：a由于SR與電路的工作狀態(tài)有關(guān)。同一只運(yùn)算放大器，在同相應(yīng)用和反相應(yīng)用時(shí)其SR將不一樣；不同增益、不同補(bǔ)償條件時(shí)，其SR也不一樣，輸出波形的上升速率和下降速率也不一樣。因此，使用者應(yīng)根據(jù)應(yīng)用條件進(jìn)行測試。生產(chǎn)

17、廠家往往是以最慢的轉(zhuǎn)移速率提供給用戶參考。b當(dāng)運(yùn)算放大器接成放大狀態(tài)時(shí)，其反饋電阻Rf不能取得過大，否則將會給測試結(jié)果引進(jìn)誤差。 Uo （2）建立時(shí)間tS的測試建立時(shí)間tS 是指放大器輸入一階躍信號后， (1+)Uor 從響應(yīng)到最終穩(wěn)定值（在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)）所 Uor 0 t (1-)Uor需要的時(shí)間，如圖9所示。由圖可見，tS 是從 輸出波形的響應(yīng)開始，到第一個(gè)進(jìn)入誤差范圍 ts （1±d）Uor內(nèi)的峰值為止的這段時(shí)間。當(dāng)運(yùn)算放 圖9大器用作比較器時(shí)，往往就用tS 來衡量該運(yùn)算放大器的響應(yīng)速度，tS 越短，該運(yùn)算放大器的瞬態(tài)響應(yīng)越好，工作速度也越快。 建立時(shí)間tS的測試電路如圖1

18、0（a）所示。由于運(yùn)算放大器工作在單位增益閉環(huán)狀態(tài)， 通過附加的支路，使得在A點(diǎn)處（對應(yīng)的電壓為UA）僅剩下輸入信號與輸出信號之差，其波形如圖10（b）所示，再將此信號放大，就可以比較精確地測出tS 之值。 R UA R ui R R UA +Uor +15V 2 7 0 t µA741 6 uo ts -Uor 3 4 -15V 圖10 (a) 建立時(shí)間tS的測試電路 圖10（b）A點(diǎn)處的波形 （R = 100 kW）五實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 1畫出實(shí)驗(yàn)電路圖，標(biāo)明元件值。2對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。3分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 附表： mA741性能參數(shù)的典型值附表 mA741的性能參數(shù)電源電壓+UCC -UEE+3V+18V ，典型值+15V-3V-18V， -15V工作頻率10kHz輸入失調(diào)電壓UIO2mV單位增益帶寬積Auo·BW1