THS4271集成電路實驗特性及其應(yīng)用-設(shè)計應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯THS4271集成電路實驗特性及其應(yīng)用-設(shè)計應(yīng)用摘要：以TI公司生產(chǎn)的集成運放THS4271為基礎(chǔ)搭建實驗測試電路，在定義的條件下實驗，分別測量了運放的輸入失調(diào)電壓UIO,輸入失調(diào)電流IIO,共模抑制比CMRR,開環(huán)差模放大倍數(shù)AUd等主要參數(shù)。同時對測量的數(shù)據(jù)對應(yīng)的相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行了簡單分析?；赥HS4271的單位增益穩(wěn)定，低失真，高壓擺率等特性，舉出幾個應(yīng)用實例，來說明其在某些工程領(lǐng)域有一定的應(yīng)用價值，供今后的使用者參考。

雖然經(jīng)過多年的發(fā)展，在現(xiàn)代集成電路與系統(tǒng)芯片（SystemonChip,SoC）中，集成電路運算放大器的應(yīng)用依然非常廣泛，并往往由應(yīng)用需要對其性能提出苛刻的要求。因此圍繞高性能集成電路運算放大器的研究經(jīng)久不衰。文中結(jié)合實際項目的需要，對THS4271集成運放的主要參數(shù)進(jìn)行了測試，并對結(jié)果和其應(yīng)用進(jìn)行了討論，利于今后實驗的開展，同時為器件的使用者提供參考。

1芯片介紹

THS4271是TI公司生產(chǎn)的低噪聲，高壓擺率，單位增益穩(wěn)定電壓反饋放大器，其設(shè)計正常工作電壓范圍是5~15V.兼有低噪聲，高壓擺率，寬帶寬，低失真以及單位增益穩(wěn)定的特性，使得THS4271具有高性能的表現(xiàn)。此放大器的使用者可以在一個較寬的頻帶上獲得實驗所需的較高的動態(tài)范圍，而不必為放大器在失償期間的穩(wěn)定性擔(dān)憂。該系列的放大器的封裝形式有SOIC,帶有PowerPAD的MSOP,以及帶PowerPAD無引線的MSOP.THS4271典型特征參數(shù)如表1所示。

表1THS4271典型特征參數(shù)

THS4271原件形狀，引腳分布及各引腳功能如圖1所示。（其中NC代表懸空）

圖1THS4271引腳分布及各引腳功能

2實驗原理

2.1輸入失調(diào)電壓

理想運算放大器（簡稱運放）的輸入信號為零時，其輸出直流信號也應(yīng)該為零。但實際上如果沒有外界的調(diào)零措施，由于運放內(nèi)部參數(shù)不完全對稱，輸出電壓往往不為零。這種輸入為零時輸出不為零的現(xiàn)象稱為集成運放的失調(diào)。

在室溫和標(biāo)準(zhǔn)電源電壓下，為了使輸出端的直流電壓為零，必須先在輸入端加一個直流電壓作為補償電壓，以抵消偏離零點的輸出電壓，而這個加在輸入端的電壓即被稱為輸入失調(diào)電壓UIO.顯然，UIO數(shù)值越小，說明運放的參數(shù)對稱性越好。

2.2輸入失調(diào)電流

運放的偏置電流是指運放輸入級差分對管的基極電流IB1和IB2,由于晶體管參數(shù)的分散性，IB1≠IB2.當(dāng)輸入信號為零時，運放的兩個輸入端的基極偏置電流之差稱為輸入失調(diào)電流，IIO,即IIO=|IB1-IB2|.顯然，IIO的存在將使輸出端零點偏移，信號源阻抗越高，失調(diào)電流影響越嚴(yán)重。

2.3共模抑制比

共模抑制比是用來表征運放對共模信號抑制能力大小的參數(shù)。定義為運放的差模電壓放大倍數(shù)Ad與共模電壓放大倍數(shù)Ac之比：CMRR=Ad/Ac;用分貝表示：CMRR=20lg（Ad/Ac）dB.共模抑制比在應(yīng)用中是一個很重要的參數(shù)，理想運放對輸入的共模信號輸出為零，但在實際的集成運放中，其輸出不可能沒有共模信號的成分，輸出端共模信號越小，說明電路對稱性越好，運放對共模干擾信號的抑制能力越強，即CMRR越大。

2.4開環(huán)差模放大倍數(shù)

集成運放在沒有外部反饋時的直流差模放大倍數(shù)稱為開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)，用Aud表示。定義為開環(huán)輸出電壓幅值UO與兩個差分輸入端之間所加信號電壓幅值Uid之比：AUd=UO/Uid.

3測試電路，數(shù)據(jù)及分析

3.1輸入失調(diào)電壓測量

失調(diào)電壓測試電路原理圖如圖2所示。閉合開關(guān)S1及S2（實驗時用導(dǎo)線代替），使電阻Ra短接，測量此時的輸出電壓UO即為輸出失調(diào)電壓，換算到輸入端，可得輸入失調(diào)電壓UIO=R1·UO/（R1+Rf），經(jīng)實驗測量UO=385mV,帶入上式可得UIO=3.85mV。

圖2輸入失調(diào)電壓（電流）測試電路

3.2輸入失調(diào)電流測量

輸入失調(diào)電流IIO的大小反映了運放內(nèi)部差動輸入級兩個晶體管β的適配度，由于IB1和IB2本身的數(shù)值很?。ù蠹s在微安級別），因此他們的差值通常不是直接測量的，測試電路原理如圖2所示。

IIO的測量分兩步：

1）閉合開關(guān)S1和S2,在低輸入電阻下，測出輸出電壓為UO1,其中UO1=（R1+Rf）·UIO/R1,如前所述，這就是由輸入失調(diào)電壓UIO引起的輸出電壓。

2）斷開S1和S2,兩個輸入電阻RB接入電路，測得此時的輸出電壓為UO2.由于RB阻值較大，流經(jīng)它們的輸入電流IB1、IB2的差異將變成輸入電壓的差異，即IIO·RB=|IB1-IB2|·RB,考慮同時存在的輸入失調(diào)電壓的影響，可得UO2=（UIO+IIO·RB）·（R1+RF）/R2.

綜上所述，將兩次測得的數(shù)據(jù)UO1=0.392V和UO2=0.693V代入IIO=（UO2-UO1）·R1/RB（R1+Rf），即可得到電路的輸入失調(diào)電流IIO=111.16nA.

3.3共模抑制比測量

共模抑制比測量電路如圖3所示。集成運放在閉環(huán)狀態(tài)下的差模電壓放大倍數(shù)為Ad=Rf/R1,當(dāng)接入共模輸入信號幅值為UiC時，測得輸出幅值為UOC,則共模電壓放大倍數(shù)為Ac=UOC/UIC,得到共模抑制比CMRR=Ad/AC=Rf·UIC/（R1·UOC）。實驗測得，Ac=2.4,則CMRR=32.4dB.

圖3共模抑制比測量電路

3.4開環(huán)差模放大倍數(shù)

由于集成運放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)很高，難以直接進(jìn)行測量，一般采用閉環(huán)電路。Aud的測試方法很多，現(xiàn)采用交，直流同時閉環(huán)的測試方法，如圖4所示。被測運放一方面通過Rf,R1,R2完成直流閉環(huán)，以抑制輸出電壓漂移，另一方面通過Rf和Rs實現(xiàn)交流閉環(huán)，外加信號Us經(jīng)R1、R2分壓，使Ui足夠小，以保證運放工作在線性區(qū)，同相輸入端電阻R3應(yīng)與反相輸入端電阻R2相匹配，以減小輸入偏置電流的影響，電容C為隔直電容。被測運放的放大倍數(shù)Aud=UO/Ui=（1+R1+R2）*UO/Ui,經(jīng)實驗測試，Aud=50.81dB.

圖4開環(huán)差模放大倍數(shù)測試電路

3.5測試時需要考慮的問題

3.5.1輸入信號選擇

交直流均可，但要注意所選信號頻率和幅度，同時考慮運放的頻率響應(yīng)特性和輸出幅度的限制。運放工作在非線性區(qū)，輸入頻率過高，幅度過大等都會導(dǎo)致測量結(jié)果的偏差。

3.5.2調(diào)零

為提高運算精度，在運算前，應(yīng)首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。因THS4271沒有調(diào)零端子，實驗時如果需要調(diào)零可采取如圖5中的（a），（b）兩種方式進(jìn)行，只需按組件要求接入調(diào)零電位器RP,細(xì)心調(diào)節(jié)RP,使UO為零，即可實現(xiàn)調(diào)零。輸入端失調(diào)值為零，也會減小對測量數(shù)據(jù)的影響。

圖5電路圖

3.5.3消振

集成運放自激時，表現(xiàn)為輸入為零，也會有輸出，使運放的各種運算功能無法實現(xiàn)，嚴(yán)重時還會損壞器件。消振方法：可以通過外接RC補償電路；合理布局電路走線和元器件位置以減少分布電容；在電源線和地之間接入適合的電容減小電源引線的影響。

4THS4271的應(yīng)用實例

4.1輸出緩沖器

THS4271可以作為數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC5675輸出端的緩沖器。圖6給出了THS4271配置成差分放大電路，可以實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換器5675由差分雙端輸入到單端輸出的轉(zhuǎn)換過程。

圖6輸出緩沖器

4.2有源濾波

由于THS4271具有高壓擺率，寬帶寬特性以及電壓反饋的結(jié)構(gòu)，可以用它來實現(xiàn)高頻有源濾波器。各階的濾波器，不論低通，高通，帶通，帶阻在配置好相應(yīng)的輔助元件后，都可以實現(xiàn)。圖7給出了一個簡單的兩極點低通濾波器，極點位置在100MHz.

圖7有源濾波

4.3無線通信接收機

同時使用一對THS4271構(gòu)成電路，可以實現(xiàn)高速，低失真，低噪聲的差分接收電路。兩個放大器同時工作在同相模式下，電路從負(fù)載到源端呈現(xiàn)高阻抗。此電路可以通過控制終端阻抗按照實際需要，實現(xiàn)源端和負(fù)載端阻抗的匹配。

圖8無線通信接收機

5結(jié)束語

文中通過實驗對THS4271運放的主要參數(shù)：輸入失調(diào)電壓和電流，共模抑制比，開環(huán)差模放大倍數(shù)進(jìn)行了測