實(shí)驗(yàn)七集成運(yùn)算放大器指標(biāo)測(cè)試

1、 實(shí)驗(yàn)七集成運(yùn)算放大器指標(biāo)測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1. 掌握運(yùn)算放大器主要指標(biāo)的測(cè)試方法。 2. 通過對(duì)運(yùn)算放大器A741指標(biāo)的測(cè)試，了解集成運(yùn)算放大器組件的主要參數(shù)的定義和表示方法。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與器件器材名稱器材名稱12V 直流電源交流毫伏表函數(shù)信號(hào)發(fā)生器直流電壓表雙蹤示波器集成運(yùn)算放大器A7411電阻器、電容器若干三、實(shí)驗(yàn)原理集成運(yùn)算放大器是一種線性集成電路，和其它半導(dǎo)體器件一樣，它是用一些性能指標(biāo)來衡量其質(zhì)量的優(yōu)劣。為了正確使用集成運(yùn)放，就必須了解它的主要參數(shù)指標(biāo)。集成運(yùn)放組件的各項(xiàng)指標(biāo)通常是由專用儀器進(jìn)行測(cè)試的，這里介紹的是一種簡易測(cè)試方法。本實(shí)驗(yàn)采用的集成運(yùn)放為雙列直插式組件A741（或F

2、007），引腳排列如圖71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K的電位器，滑動(dòng)觸頭接到負(fù)電源端，腳為空腳。圖71 A741管腳圖 圖72 U0S、I0S測(cè)試電路1. A741主要指標(biāo)測(cè)試（1）輸入失調(diào)電壓U0S 理想運(yùn)放組件當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，其輸出也為零。但是即使是最優(yōu)質(zhì)的集成組件，由于運(yùn)放內(nèi)部差動(dòng)輸入級(jí)參數(shù)的不完全對(duì)稱，輸出電壓往往不為零，這種零輸入時(shí)輸出不為零的現(xiàn)象稱為集成運(yùn)放的失調(diào)。 輸入失調(diào)電壓U0S 指輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出端出現(xiàn)的電壓折算到同相輸入端的數(shù)值。失調(diào)電壓測(cè)試電路如圖72所示。閉合開關(guān)K1及K2，使電阻RB短接

3、，測(cè)量此時(shí)的輸出電壓U01 即為輸出失調(diào)電壓，則輸入失調(diào)電壓實(shí)際測(cè)出的U01可能為正，也可能為負(fù)，一般在15mV，對(duì)于高質(zhì)量的運(yùn)放U0S在1mV以下。 測(cè)試中應(yīng)注意： 將運(yùn)放調(diào)零端開路。 要求電阻R1和R2，R3和RF的參數(shù)嚴(yán)格對(duì)稱。 （2）輸入失調(diào)電流I0S 輸入失調(diào)電流I0S 是指當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，運(yùn)放的兩個(gè)輸入端的基極偏置電流之差， 輸入失調(diào)電流的大小反映了運(yùn)放內(nèi)部差動(dòng)輸入級(jí)兩個(gè)晶體管的失配度，由于IB1，IB2 本身的數(shù)值已很?。ㄎ布?jí)），因此它們的差值通常不是直接測(cè)量的，測(cè)試電路如圖72所示，測(cè)試分兩步進(jìn)行： 閉合開關(guān)K1及K2，在低輸入電阻下，測(cè)出輸出電壓U01，如前所述，這是由輸

4、入失調(diào)電壓U0S所引起的輸出電壓。 斷開K1及K2，兩個(gè)輸入電阻RB接入，由于RB阻值較大，流經(jīng)它們的輸入電流的差異，將變成輸入電壓的差異，因此，也會(huì)影響輸出電壓的大小，可見測(cè)出兩個(gè)電阻RB接入時(shí)的輸出電壓U02 ，若從中扣除輸入失調(diào)電壓U0S的影響，則輸入失調(diào)電流I0S為一般,I0S約為幾十幾百nA(10-9A)，高質(zhì)量運(yùn)放IOS低于1nA。測(cè)試中應(yīng)注意： 將運(yùn)放調(diào)零端開路。 兩輸入端電阻RB必須精確配對(duì)。 （3）開環(huán)差模放大倍數(shù)Aud 集成運(yùn)放在沒有外部反饋時(shí)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。它定義為開環(huán)輸出電壓U0與兩個(gè)差分輸入端之間所加信號(hào)電壓Uid之比按定義

5、Aud應(yīng)是信號(hào)頻率為零時(shí)的直流放大倍數(shù)，但為了測(cè)試方便，通常采用低頻（幾十Hz以下）正弦交流信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。由于集成運(yùn)放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)很高，難以直接進(jìn)行測(cè)量，故一般采用閉環(huán)測(cè)量方法。Aud的測(cè)試方法很多，現(xiàn)采用交、直流同時(shí)閉環(huán)的測(cè)試方法，如圖73所示。被測(cè)運(yùn)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(shí)現(xiàn)交流閉環(huán)，外加信號(hào)uS經(jīng)R1、R2分壓，使uid足夠小，以保證運(yùn)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(cè)運(yùn)放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)為 圖73 Aud測(cè)試電路通常低增益運(yùn)放Aud約為60

6、70db，中增益運(yùn)放約為80db，高增益在100db以上，可達(dá)120140db。測(cè)試中應(yīng)注意： 測(cè)試前電路應(yīng)首先消振及調(diào)零。 被測(cè)運(yùn)放要工作在線性區(qū)。 輸入信號(hào)頻率應(yīng)較低，一般用50100HZ，輸出信號(hào)幅度應(yīng)較小，且無明顯失真。 （4）共模抑制比KCMR集成運(yùn)放的差模電壓放大倍數(shù)Ad與共模電壓放大倍數(shù)AC之比稱為共模抑制比 共模抑制比KCMR在應(yīng)用中是一個(gè)很重要的參數(shù)，理想運(yùn)放對(duì)輸入的共模信號(hào)其輸出為零。但在實(shí)際的集成運(yùn)放中，其輸出不可能沒有共模信號(hào)的成分，輸出端共模信號(hào)愈小，說明電路對(duì)稱性愈好，也就是說運(yùn)放對(duì)共模干擾信號(hào)的抑制能力愈強(qiáng)，即KCMR愈大。KCMR的測(cè)試電路如圖74所示。集成運(yùn)放

7、工作在閉環(huán)狀態(tài)下的差模電壓放大倍數(shù)為當(dāng)接入共模輸入信號(hào)Uic時(shí)，測(cè)得U0C，則共模電壓放大倍數(shù)為 圖74 KCMR測(cè)試電路得共模抑制比測(cè)試中應(yīng)注意： 消振與調(diào)零 R1與R2、R3與RF之間阻值嚴(yán)格對(duì)稱 輸入信號(hào)Uic 幅度必須小于集成運(yùn)放的最大共模輸入電壓范圍 Uicm （5）共模輸入電壓范圍Uicm集成運(yùn)放所能承受的最大共模電壓稱為共模輸入電壓范圍，超出這個(gè)范圍，運(yùn)放的CMRR會(huì)大大下降，輸出波形產(chǎn)生失真，有些運(yùn)放還會(huì)出現(xiàn)“自鎖”現(xiàn)象以及永久性的損壞。Uicm的測(cè)試電路如圖7-5所示。被測(cè)運(yùn)放接成電壓跟隨器形式，輸出端接示波器，觀察最大不失真輸出波形，從而確定Uicm值。圖75 Uicm測(cè)試

8、電路 圖76 UOPP測(cè)試電路 （6）輸出電壓最大動(dòng)態(tài)范圍UOPP集成運(yùn)放的動(dòng)態(tài)范圍與電源電壓、外接負(fù)載及信號(hào)源頻率有關(guān)。測(cè)試電路如圖76所示。改變uS幅度，觀察u0削頂失真開始時(shí)刻，從而確定u0的不失真范圍，這就是運(yùn)放在某一定電源電壓下可能輸出的電壓峰峰值UOPP。2. 集成運(yùn)放在使用時(shí)應(yīng)考慮的一些問題 （1）輸入信號(hào)選用交、直流量均可，但在選取信號(hào)的頻率和幅度時(shí)，應(yīng)考慮運(yùn)放的頻響特性和輸出幅度的限制。（2）運(yùn)放的調(diào)零。為提高運(yùn)算精度，在運(yùn)算前，應(yīng)首先對(duì)直流輸出電位進(jìn)行調(diào)零，即保證輸入為零時(shí)，輸出也為零。當(dāng)運(yùn)放有外接調(diào)零端子時(shí)，可按組件要求接入調(diào)零電位器RW，調(diào)零時(shí)，將輸入端接地，調(diào)零端接入

9、電位器RW，用直流電壓表測(cè)量輸出電壓U0，細(xì)心調(diào)節(jié)RW，使U0為零（即失調(diào)電壓為零）。如運(yùn)放沒有調(diào)零端子，若要調(diào)零，可按圖77所示電路進(jìn)行調(diào)零。 一個(gè)運(yùn)放如不能調(diào)零，大致有如下原因： 組件正常，接線有錯(cuò)誤。 組件正常，但負(fù)反饋不夠強(qiáng)（RFR1 太大），為此可將RF短路，觀察是否能調(diào)零。 組件正常，但由于它所允許的共模輸入電壓太低，可能出現(xiàn)自鎖現(xiàn)象，因而不能調(diào)零。為此可將電源斷開后，再重新接通，如能恢復(fù)正常，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。 (a) (b)圖77 調(diào)零電路 （3）運(yùn)放的消振。一個(gè)集成運(yùn)放自激時(shí)，表現(xiàn)為即使輸入信號(hào)為零，

10、亦會(huì)有輸出，使各種運(yùn)算功能無法實(shí)現(xiàn)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞器件。在實(shí)驗(yàn)中，可用示波器監(jiān)視輸出波形。為消除運(yùn)放的自激，常采用如下措施： 若運(yùn)放有相位補(bǔ)償端子，可外接RC補(bǔ)償電路，產(chǎn)品手冊(cè)中提供了補(bǔ)償電路及元件。電路布線、元、器件布局應(yīng)盡量減少分布電容。在正、負(fù)電源進(jìn)線與地之間接上幾十F的電解電容和0.010.1F 的陶瓷電容相并聯(lián)以減小電源引線的影響。注：自激消除方法請(qǐng)參考實(shí)驗(yàn)附錄。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)前看清運(yùn)放管腳排列及電源電壓極性及數(shù)值，切忌正、負(fù)電源接反。 1. 測(cè)量輸入失調(diào)電壓U0S 按圖72連接實(shí)驗(yàn)電路，閉合開關(guān)K1、K2，用直流電壓表測(cè)量輸出端電壓U01 ，并計(jì)算U0S ，記入表71。 2. 測(cè)

11、量輸入失調(diào)電流I0S實(shí)驗(yàn)電路如圖72，閉合開關(guān) K1、K2，測(cè)量 U02，并計(jì)算I0S ，記入表71。 表71UOS(mV)IOS(nA)Aud(db)KCMR(db)實(shí)測(cè)值典型值實(shí)測(cè)值典型值實(shí)測(cè)值典型值實(shí)測(cè)值典型值210501001001068086 3. 測(cè)量開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud 按圖73連接實(shí)驗(yàn)電路，運(yùn)放輸入端加頻率100Hz，大小約3050mV正弦信號(hào)，用示波器監(jiān)視輸出波形。用交流毫伏表測(cè)量U0和Ui，并計(jì)算Aud 。記入表71。 4. 測(cè)量共模抑制比KCMR 按圖74連接實(shí)驗(yàn)電路，運(yùn)放輸入端加f100Hz ，UiC12V正弦信號(hào)，監(jiān)視輸出波形。測(cè)量U0C 和UiC，計(jì)算AC及KCMR，記入表71。 5. 測(cè)量共模輸入電壓范圍Uicm及輸出電壓最大動(dòng)態(tài)范圍UOPP。 自擬實(shí)驗(yàn)步驟及方法。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告 1. 將所測(cè)