集成运算放大器指标测试

集成运算放大器参数的测试电信S09-2-18 李明一．实验目的1．了解集成运算放大器的主要参数。

2．通过实验，掌握集成运算放大器主要参数的测试方法。

二．预习要求1．复习集成运算放大器的技术指标，主要参数的定义及测试方法。

2．了解用示波器观察运算放大器传输特性的方法。

3．了解输入失调电压U IO和输入失调电流I IO产生的原因。

三．实验设备四．实验内容及测试方法反映集成运算放大器特性的参数主要有以下四大类：输入失调特性、开环特性、共模特性及输出瞬态特性。

1．集成运算放大器的传输特性及输出电压的动态范围的测试运算放大器输出电压的动态范围是指在不失真条件下所能达到的最大幅度。

为了测试方便，在一般情况下就用其输出电压的最大摆幅U op-p 当作运算放大器的最大动态范围。

输出电压动态范围的测试电路如图1(a）所示。

图中u i为100Hz正弦信号。

当接入负载R L后，逐渐加大输入信号u i的幅值，直至示波器上显示的输出电压波形为最大不失真波形为止，此时的输出电压的峰峰值U op-p就是运算放大器的最大摆幅。

若将u i输入到示波器的X轴，u o输入到示波器的Y轴，就可以利用示波器的X—Y显示，观察到运算放大器的传输特性，如图1 (b) 所示，并可测出U o p-p的大小。

（a ） 运算放大器输出电压动态范围的测试电路 （b ） 运算放大器的传输特性曲线图1（图中：R 1 = R 2 = 1.2k Ω，R f = 20k Ω）U op-p 与负载电阻R L 有关，对于不同的R L ，U op-p 也不同。

根据表1，改变负载电阻R L 的阻值，记下不同R L 时的U op-p ，并根据R L 和U op-p ，求出运算放大器输出电流的最大摆幅I op-p = U op-p /R L ，运算放大器的U op-p 除了与负载电阻R L 有关外，还与电源电压以及输入信号的频率有关。

随着电源电压的降低和信号频率的升高，U op-p 将降低。

如果示波器显示出运算放大器的传输特性，即表明该放大器是好的，可以进一步测试运算放大器的其它几项参数。

2． 集成运算放大器的输入失调特性及其测试方法集成运算放大器的基本电路是差分放大器。

由于电路的不对称性必将产生输入误差信号。

这个误差信号限制了运算放大器所能放大的最小信号，即限制了运算放大器的灵敏度。

这种由于直流偏置不对称所引起的误差信号可以用输入失调电压U IO 、输入偏置电流I B 、输入失调电流I IO 及它们的温度漂移来描述。

（1）输入失调电压U IO 的测试一个理想的运算放大器，当两输入端加上相同的直流电压或直接接地时，其输出端的直流电压应等于零。

但由于电路参数的不对称性，输出电压并不为零，这种现象称为运算放大器的零点偏离或失调，为了使放大器的输出端电压回到零，必须在放大器的输入端加上一个电压来补偿这种失调。

所加电压的大小称为该运算放大器的失调电压，用U IO 表示。

显然U IO 越小，说明运算放大器参数的对称性越好。

分析表明，运算放大器的U IO 主要取决于输入级差分对管U be 的对称性，U 一般 R R f为0.5 ~ 5mV 。

失调电压的测试电路如图2所示。

用 万用表（最好是数字万用表）测出其输出 R 电压U o ，则输入失调电压U IO 可由下式计 算： o fIO U R R R U ⋅+=11 （1） 图2 输入失调电压测试电路 （2）输入失调电流的测试 (图中：R 1=100Ω，R f = 100k Ω )输入端偏置电流I B 是指输出端为零电平时，两输入端基极电流的平均值，即：I B =（I B++I B -）∕2式中I B+ 为同相输入端基极电流，I B - 为反相输入端基极电流。

当电路参数对称时，I B+ = I B - 。

但实际电路中参数总有些不对称，其差值称为运算放大器的输入失调电流，用I IO 表示：I IO = I B+ - I B -显然，I IO 的存在将使输出端零点偏离，信号源阻抗越高，失调电流的影响越严重。

输入失调电流主要是由于构成差动输入级的两个三极管的β值不一致引起的。

I IO 一般为1nA ~ 10μA ，其值越小越好。

失调电流的测试电路与图2相同。

用万用表分别测量同相端3对地的电压U 3及反相端2对地的电压U 2 ，则输入失调电流I IO 可由下式计算：22R U R U I I I S S B B IO -=-=-+ （2）输入失调电压U IO 和输入失调电流I IO 称为运算放大器的静态性能参数。

3． 运算放大器的开环特性及其测试方法反映运算放大器开环特性的参数主要有：开环电压增益A uo 、输入阻抗R i 、 输出阻抗R o 及增益带宽积。

信 （1）开环电压增益A uo 的测试 号 开环电压增益A uo 是指运算放大器 源 没有反馈时的差模电压增益，即运算放 大器的输出电压U o 与差模输入电压U i之比值。

开环电压增益通常很高，因此 图3 开环电压增益的测量电路只有在输入电压很小（几百微伏）时，才能保证输出波形不失真。

但在小信号输入条件下测试时，易引入各种干扰，所以采用闭环测量方法较好。

测试开环电压增益A uo 的电路如图3所示（图中R 1 = R f = 51k Ω，R 2 = R P = 51Ω，R 3 = 1k Ω，C = 47µF ）。

选择电阻（R 1 + R 2）>>R 3，则开环电压增益A uo 为：221'R R R U U U U A i o i ouo +⋅== （3） 用毫伏表分别测量U o 及U i ，由上式算出开环电压增益A uo 。

测量时，交流信号源的输出频率应小于100Hz ，并用示波器监视输出波形，若有自激振荡，应进行相位补偿、消除振荡后才能进行测量。

u i 的幅度不能太大，一般取几十毫伏。

（2） 增益带宽积的测试 R f运算放大器可以工作在零频率 （即直流），因此它在截止频率f c 处的电压增益比直流时的电压增益 信 低3dB ，故运算放大器的带宽BW 号 就等于截止频率f c 。

增益越高， 源 带宽越窄，增益带宽积A uo ·BW =常数，当电压放大倍数等于1时，对应的带宽称为单位增益带宽。

图4 增益带宽积测量电路增益带宽积的测试电路如图4所示：其中信号源用来输出U i = 100mV的正弦波，示波器用来观测放大器的输入与输出波形。

首先取表2中第一组阻值R f = R1 = 10kΩ，测量放大器的单位增益带宽。

当信号源的输出频率由低逐渐增高时，电压增益A uo = U o/ U i = 1应保持不变。

继续增高频率直到A´uo = 0.707 A uo时所对应的频率就是运算放大器电压放大倍数等于1时的带宽，即单位增益带宽。

再取表中第二、第三组数据，分别测出不同电压增益A uo时的带宽BW，通过计算求出增益带宽积A uo·BW。

实验结果表明：增益增加时，带宽减小，但增益带宽积不变（可能存在测量误差）。

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。

表2 增益带宽积测量值（3）开环输入阻抗的测试运算放大器的开环输入阻抗R i 是指运算放大器在开环状态下，输入差模信号时，两输入端之间的等效阻抗。

信开环输入阻抗的测试电路如图5所号示。

其中信号源为输出电压U S = 1V，源频率f i = 100Hz的正弦波，调节电位器R W直到U i = U S /2 时为止。

关掉电源，取下电位器（注意不要碰电位器的滑动图5输入阻抗测试电路（其中：R W =2.2MΩ）端），测量其阻值R，则输入阻抗R i = R o。

输入阻抗R i 越大越好，这样运算放大器从信号源吸取的电流就越小。

C（4）开环输出阻抗的测试运算放大器开环输出阻抗R o的信测试电路如图6所示，选取适当的号R f、C f和测试频率使运算放大器工源作在开环状态。

先不接入R L，测出其输出电压U o；保持U i 不变，然后图6 输出阻抗测试电路（图中R1 = R2 = 51Ω，接上R L，再测出此时的U oL（注意保R f = 100kΩ，R L = 100Ω，C = C f = C'f = 47μF）持输出波形不失真），按下式求出R o ：L oL o o R U U R ⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=1 （4）为了减小测量误差，应取R L ≈ R o 。

运算放大器的输出阻抗（开环）一般为几十至几千欧姆。

4． 共模抑制比的测试 R集成运算放大器是一个双端输入、 单端输出的高增益直接耦合放大器。

信因此，它对共模信号有很强的抑制能 号 力，电路参数越对称，共模抑制能力 源 越强。

共模抑制比CMRR 等于运算放 大器的差模电压放大倍数A ud 与共模。

电压放大倍数A uc 之比。

一般用dB 图7 共模抑制比的测试电路（图中表示其单位。

R 1 = R 2 = 100Ω，R 3 = R f = 100k Ω）)(lg 20dB A A CMRR ucud = （6） 共模抑制比的测试电路如图7所示。

其中信号源输出频率为100Hz ，电压U i = 2V （有效值）的正弦波。

用毫伏表测量输出电压U o ，则放大器的差模电压增益为：1R R A fud =共模电压增益为： io uc U U A = 将A ud 和A uc 的值代入式（5）就可以算出共模抑制比CMRR 。

5. 输出波形的瞬态特性及其测试方法 R f当运算放大器工作在大信号和开关状 态（如用作比较器）时，仅知道其频率特 性是不够的，还必须了解电路的瞬态特性。

信 运算放大器的瞬态特性主要通过转移速率 号 S 和建立时间来描述。

源 （1）转移速率S R 的测试 转移速率是指运算放大器在大幅度阶跃信号的作用下输出信号所能达到的最大 图8 (a) 转移速率的测试电路变化率，单位为V/μS 。

影响运算放大器转 （图中R 1 = R f = 10k Ω，R P = R 1 //R f ）移速率的主要因素是放大器的高频特性和 u i相位补偿电容。

一般补偿电容越大转移速率越慢。

对正弦信号而言，S R 决定了放大 0 器在高频时所能达到的最大不失真幅度U omax ：max max 2f S U Ro π= 对脉冲信号而言，S R 就决定了输出波形所能达到的上升和下降时间。

转移速率 ΔU o 的测试电路如图8(a) 所示，信号源输出 10kHz 的方波，电压U i 的峰—峰值为5V 。

示波器观测到的输入输出波形如图8 (b)所示。

转移速率∆U/∆t 可由示波器测量， 图8 (b) 输入/输出波形其中∆t 为输出电压U o 从最小值升到最大值所需要的时间。