运算放大器基本电路的测试2DOC.docx
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运算放大器基本电路的测试2DOC
第2章运算放大器基本电路的测试1
目标1
引言1
2.1运算放大器芯片2
2.2同相放大器电路4
2.3电压跟随器电路8
2.4反相放大器电路10
2.5放大器电路的输入/输出电阻匹配12
2.6小结13
第2章运算放大器基本电路的测试
目标
通过本章的学习，应掌握以下知识
●运算放大器芯片的分类
●运算放大器电路的双电源供电方式或者单电源供电方式
●反馈电阻RF和增益电阻RG的取值对电路工作的影响
●运算放大器电路的电压增益对电路工作的影响
●运算放大器芯片的输入失调电压和偏置电流
●运算放大器芯片的最大输出信号的摆动范围
●运算放大器芯片的增益带宽积和单位增益带宽
●运算放大器芯片的压摆率
●输入和输出电阻的匹配
引言
运算放大器相关知识的学习应该由相应的电路实验来证实，因为实际工作过程中不可避免地会出现一些问题，分析出现这些问题的原因、找出解决的办法将迫使我们全面、深入地思考，这样就能够更加深入地理解工作原理。
将理论和实践相结合是一种非常好的学习方法，这种方法需要在具体的过程中，通过体验、探索才能逐渐掌握。
推荐准备一块面包板，利用它来组装将要研究的电路，并完成电路的调试。
详细地记录调试过程中的测量条件、测量数据以及出现的各种问题，尝试利用电路理论来解释这些数据，并探讨改善电路技术指标的各种措施。
测试数据的分析是很重要的，电路的一些技术指标之间经常会存在冲突，如何平衡这些冲突，调试电路达到一个什么样的技术指标就可以收手，这些就是工作经验。
如果能够在工作中掌握一种学习的方法，这样将能使我们更加适应将来要面临的各种工作。
实际使用的运算放大器芯片与理想的运算放大器之间肯定存在一些差异，但是使用理想运算放大器的等效电路能够简化电路的分析过程。
尽管理想模型是一种概念化，但决不是脱离实际工作的。
当电路的测量数据与理论计算数值存在差异的时候，运算放大器芯片的数据手册能够帮助我们解释出现这些差异的原因。
仔细阅读运算放大器芯片的数据手册是很重要的，通过芯片技术参数能够预估电路的性能指标，这将为选择合适的芯片提供依据。
本章设想读者接触过运算放大器芯片，并组装过实验电路，因此给出了稍深入一点的要求。
每个电路完成一个方面的探讨，不过所获得的结论也适应其它的电路。
2.1运算放大器芯片
2.1.1运算放大器芯片的包装
采用集成电路技术制造的运算放大器模块能够被做在只有针尖那么大小的半导体材料上，这样就能够在一块芯片中包装多个运算放大器模块。
当前常见的包装类型为1个芯片中包含1个、2个或者4个运算放大器模块。
对于大多数型号的器件，这3种运算放大器包装类型中的运算放大器模块与芯片管脚的连接图如图2.1所示。
图2.1运算放大器芯片的管脚图
应用电路中经常需要采用多个运算放大器模块联合起来实现要求的功能，例如使用多级放大器实现较大的放大倍数，这时采用内部包含多个运算放大器模块的芯片能够有效地降低电路板的面积。
另外包含多个运算放大器模块的芯片还具有一个特点，这就是这些模块的特性非常接近。
只包含1个运算放大器模块的芯片也具有自己的优点。
例如一些芯片具有输入失调电压调整管脚，如图中的管脚1和8（OffsetTrim）。
理想的运算放大器芯片在输入为0的时候，输出应该为0，但是理想的芯片是不存在的。
芯片制造过程中的任何不理想都会导致电路误差，这些误差的一种表现就是当电路的输入电压为0，但是电路的输出电压并不为0。
调整输入失调电压调整管脚的电位能够使得当运算放大器模块输入电压为0时，它的输出电压也为0。
包含多个运算放大器模块的芯片没有输入失调电压调整管脚，为获得同样的功能，这时需要添加额外的电路。
芯片中包含多个运算放大器模块的各个模块共用同样的电源，这有时会引起它们之间的相互干扰。
对于包含多个运算放大器模块的芯片中没有使用的模块，推荐将这些没有使用模块的输入管脚接地，这样可以减少外部干扰的进入。
像其它集成电路芯片一样，运算放大器芯片的包装形式也具有多种，常见的包装形式为双列直插封装（DualIn-linePackage，DIP）类型和小外形集成电路（Smalloutlineintegratedcircuit，SOIC）封装类型。
双列直插封装（DIP）类型已经使用了很长时间，虽然它的体积大，但是芯片引脚能够直接插入面包板中，对样机开发和实验教学非常方便。
双列直插封装类型存在的缺点之一是引脚产生的杂散干扰大，当前一些高性能芯片只有小外形集成电路（SOIC）封装类型，不过使用这些芯片需要专门制作电路板。
2.1.2工作电压的选择
按照运算放大器工作所使用的电源，芯片可以分为双电源类型和单电源类型。
双电源类型运算放大器芯片使用方便，推荐尽量使用这种类型的器件。
对于一些只有单一供电电源的场合，例如一些便携式设备，这时就需要使用单电源类型的运算放大器芯片。
本章涉及的所有电路都使用双电源类型的运算放大器芯片。
后面专门用一章来介绍单电源类型运算放大器芯片的使用。
为了降低系统的成本和体积，应用系统通常只提供很少几种输出电压数值的电源，例如±12V，或者±5V。
运算放大器芯片供电电压的范围也是有限制的，因此使用的器件需要根据所处理信号的电压幅度和电源电压来选择。
数据手册通常会给出的运算放大器芯片工作电压的选择范围，例如±5V～±15V。
这里的工作电压上限，±15V，为芯片工作电压的最大额定值。
在实际工作中，为保证电路工作的可靠性一般都采用低于这个额定值的电源电压，例如这时可以采用输出电压为±12V的电源。
如果采用输出电压为±12V的电源，运算放大器的动态范围不能满足所处理信号的幅度要求，这时就需要选择具有更大额定值的运算放大器芯片来适应更高的电源电压。
在运算放大器与微控制器共同组成的一个模拟——数字混合系统的情况下，如果微控制器芯片的供电电源电压为5V，这时推荐运算放大器芯片采用输出电压为±5V的电源。
这样做的好处是既减少了电源输出电压的种类，又避免了运算放大器可能输出的高电压对后级电路所造成的危害。
即使没有上面所述的情况，在满足所处理信号幅度要求的前提下，也应该尽量降低电源电压，这点尤其对于高频电路中使用的运算放大器芯片更为重要。
由于在高频电路中使用运算放大器芯片的工作电流较大，采用大的电源电压将导致芯片功耗加大，使得芯片温度上升。
2.1.3运算放大器芯片的其它分类方法
按照运算放大器芯片的用途，芯片可以被划分为通用型、高精度型、低噪声型、高速型、低电压型以及高输出功率型等类型。
通用型运算放大器芯片的最大特点是价格不贵，它的各项技术指标都不特别突出。
虽然通用型运算放大器芯片的性能不优，但也不太差。
基于上述特点，尤其是价格优势，通用型运算放大器芯片获得最为广泛的使用。
同一型号、同样封装类型运算放大器芯片还可以由它的使用温度来划分，通常分为3类，商业级、工业级和军用级。
商业级芯片，即一般用途，的温度范围：
0～70ºC；
工业级芯片的温度范围：
-25～85ºC；
军用级芯片的温度范围：
-55～125ºC。
运算放大器芯片上标注的型号中包含了芯片的使用温度范围，通常在芯片型号数字后面以后缀的形式跟着。
注意不同公司的产品型号中标注意义存在差异。
通常在电子市场上购买到的芯片大多数为商业级芯片，这对于初学者已经足够了。
商业级以上等级芯片的价格要贵很多，经常还需要一个较长时间的交货期。
2.2同相放大器电路
本节用来进行分析和测试的同相放大器电路如图2.2所示，运算放大器芯片采用NE5532。
这是一种通用型运算放大器芯片，它的内部包含2个独立的运算放大器模块。
运算放大器模块与芯片管脚的连接关系如图2.1所示。
这里只需要使用其中的一个。
图2.2同相放大器电路图
图2.2所示的同相放大器电路采用正、负两个电源供电。
供电电路添加了电源滤波电容，每个电源采用一组，VCC的C1和C2；-VCC的C3和C4。
添加滤波电容可以降低信号失真，也可以使得放大器的幅度——频率特性更加平坦，还能够抑制电路的自激。
滤波电容应该尽量靠近运算放大器芯片的电源输入管脚处安装。
2.2.1电路电阻阻值的选择
同相放大器电路的闭环电压增益为
（2.1）
式（2.1）显示，运算放大器电路的闭环电压增益仅由反馈回路电阻的比值RF/RG决定。
例如希望设计一个电压增益为11的放大器，这时反馈电阻RF和增益电阻RG的比值满足
RF/RG=AV–1=11–1=10
即可。
不过式（2.1）只能给出所需要确定的反馈电阻RF与增益电阻RG的比值，由此还不能确定出每个电阻的具体数值。
反馈电阻RF和增益电阻RG的取值会对电路性能产生多方面的影响，例如反馈电阻RF太大将可能影响放大器的频带宽度，反馈电阻RF和增益电阻RG的取值越大，放大器的噪声性能指标越差，但是它们的阻值太小也会导致电路中电流数值过大，使得运算放大器芯片难于驱动。
从运算放大器芯片的输出管脚看出去的电路等效负载电阻为
（2.2）
如果不希望反馈电路电流对输出电压的影响太大，反馈电阻RF和增益电阻RG的取值就不能太小。
当然负载电阻RL的取值也是受到芯片输出电流的限制。
反馈电阻RF和增益电阻RG取值过小将会引起运算放大器电路的输出电压波形产生失真。
产生波形失真的原因是在电流太大的时候，芯片内部晶体管的工作点将会位于非线性特性很严重的地方，甚至进入输出特性的饱和区域。
满足反馈电阻RF和增益电阻RG的比值为10，即电路电压增益的计算值为11，选择不同电阻数值组合情况下的实验测量数据如表2.1～表2.3所示。
这里电路的电源电压选择为±5V，满足NE5532运算放大器芯片工作电压选择范围为±5V～±15V的要求；测试信号源输出正弦信号的频率选择为10kHz，输出正弦信号的峰-峰值选择为100mV。
表2.1同相放大器的增益特性（RF=100Ω；RG=10Ω）
负载电阻RL
（Ω）
输出电压峰-峰值（mV）
测量电压增益
增益绝对误差
增益相对误差
（%）
开路
881
8.81
-2.19
-19.9
10
输出电压波形的顶部产生严重的失真
表2.2同相放大器的增益特性（RF=1kΩ；RG=100Ω）
负载电阻RL
（Ω）
输出电压峰-峰值（mV）
测量电压增益
增益绝对误差
增益相对误差
（%）
开路
1030
10.3
-0.70
-6.4
100
991
9.91
-1.09
-9.90
10
763
7.63
-3.37
-30.6
表2.3同相放大器的增益特性（RF=10kΩ；RG=1kΩ）
负载电阻RL
（Ω）
输出电压峰-峰值（mV）
测量电压增益
增益绝对误差
增益相对误差
（%）
开路
1060
10.6
-0.40
-3.6
1000
1060
10.6
-0.40
-3.6
100
1060
10.6
-0.40
-3.6
10
910
9.10
-1.90
-17.2
从上面的测量数据可以看出，反馈电阻RF和增益电阻RG的取值大一些，即可以避免输出信号波形的失真，同时电路实际的电压增益与计算的电压增益之间的误差也小一些。
例如负载电阻RL为无穷大时，当RF=100Ω和RG=10Ω，电压增益的相对误差为-19.9%；当RF=10kΩ和RG=1kΩ，电压增益的相对误差仅为-3.6%。
反馈电阻RF和增益电阻RG的取值大一些，负载电阻RL上获得的信号幅度也将大一些。
例如负载电阻RL=100Ω时，当RF=10kΩ和RG=100Ω，电压增益为9.91；当RF=10kΩ和RG=1kΩ，电压增益为10.6。
对于不同型号的运算放大器芯片，合适的反馈电阻RF和增益电阻RG取值是不相同的。
具体的取值可以参考芯片的数据手册给出的参考电路，也可以通过实验进行选择。
2.2.2电路增益的选择
放大器电路增益的取值也会影响到电路工作的多个方面，这里只讨论电路增益的取值对电压增益精度的影响，同时也考虑决定电压增益的增益电阻RG和反馈电阻RF的实际阻值所产生的影响。
重写式（1.56）给出的运算放大器电路实际增益与理想增益之间的关系式
（2.3）
这里
（2.4）
在准备好运算放大器芯片以后，并选定好信号源输出信号的频率，这时可以认为芯片开环增益a的数值为一个常量。
式（2.4）显示，反馈系数β越大，增益误差ε越小，运算放大器电路的实际电压增益与理想电压增益之间的偏差越小。
重写式（1.51）
（2.5）
式（2.5）显示，反馈系数β越大，电路的闭环增益A越小，因此可以得出以下结论：
运算放大器电路的闭环增益越小，它偏离理想值就越小。
继续使用图2.2所示的同相放大器电路，测试信号源输出正弦信号的频率选择为10kHz，输出正弦信号的峰-峰值选择为100mV。
这里需要考虑电路不同电压增益时的工作情况。
当电路的电压增益较大时，输出信号的幅度也大，为保证电路能够提供足够的信号摆动范围，电源电压选择为±12V。
这个选择也满足NE5532运算放大器芯片工作电压选择范围为±5V～±15V的要求。
降低信号源输出信号的幅度可以降低电路输出信号的幅度，减小对电源输出电压的要求，但是小幅度信号测量受到噪声的影响很大，这会严重地影响到测量数据的精度，进而对电路工作情况的分析产生影响。
负载电阻选择开路，固定增益电阻RG为1kΩ，通过改变反馈电阻RF的阻值来获得不同的电压增益。
表2.4给出不同情况下，同相放大器电路的电压增益理论计算数值、实际测量数值以及误差数值。
表2.4同相放大器的增益特性（RG=1kΩ）
反馈电阻RF
（Ω）
计算电压增益
输出电压
（mV）
测量电压增益
增益绝对误差
增益相对误差
（%）
1k
2
199
1.99
-0.01
-0.50
3.3k
4.3
418
4.18
-0.12
-2.79
10k
11
1070
10.7
-0.30
-2.72
33k
34
3350
33.5
-0.50
-1.47
100k
101
9840
98.4
-2.6
-2.63
表2.4显示同相放大器电路电压增益的相对误差随着电压增益数值变化的情况与理论分析的结论并不相符，而且变化没有规律。
导致这种情况的原因是增益电阻RG和反馈电阻RF的阻值是从电阻上的色环标注直接读取的。
电阻的实际阻值与标称阻值之间存在误差，即实际的电阻根据不同的类型，具有不同的精度。
使用三用表逐个测量增益电阻RG，测量为获得不同电压增益所使用的各种反馈电阻RF，测量结果如表2.5所示。
以电阻测量值为基础，再次计算电压增益，并再次计算不同电压增益时的增益误差。
表2.5同相放大器的增益特性（RG=982Ω）
反馈电阻RF
（Ω）
计算电压增益
输出电压
（mV）
测量电压增益
增益绝对误差
增益相对误差
（%）
986
2.00
199
1.99
-0.01
-0.50
3.30k
4.30
418
4.18
-0.12
-2.79
9.89k
11.1
1070
10.7
-0.40
-3.60
33.5k
35.1
3350
33.5
-1.60
-4.56
99.2k
102
9840
98.4
-3.60
-3.53
使用测量电阻获得的数据完成电路电压增益的计算，以此为基准完成各种情况下测量电压增益误差计算。
现在电路电压增益的相对误差基本随着增益的增加而加大。
当然仍然存在一个例外，即最后一行，在电压增益为102时的相对误差又出现了减小的趋势。
表2.5显示，电阻的实际阻值与它的标称阻值之间确实存在误差，其中最大的误差为增益电阻RG所采用的标称为1kΩ电阻，相对误差达到1.8%。
常用的电阻器有碳膜电阻和金属膜电阻。
碳膜电阻价格低，允许误差在±5%之内，温度系数范围为-500～-1000ppm/ºC。
金属膜电阻的价格高，允许误差在±2%之内，温度系数范围为±50～±200ppm/ºC，另外还具有低噪声的特点。
上面实验电路中的电阻就是采用金属膜电阻。
电阻器，也包括电容器，的标称数值采用优选值系列。
在同一数量级中有几个标称值就称为E×系列，例如E3、E6、E12、E24、E48、E96等。
学校实验室通常按E6系列准备电阻器。
E6系列包括1.0、1.5、2.2、3.3、4.7和6.8这6个数值，例如在1kΩ到10kΩ之间，只能提供1.0kΩ、1.5kΩ、2.2kΩ、3.3kΩ、4.7kΩ和6.8kΩ这6种标称值的电阻器。
电阻器的使用量很大，如果准备更多种类标称值的电阻器，这对经费的占用和库房的管理工作将带来很大的压力。
存在高精度的电阻器，最高精度可以达到±0.1%，不过这需要定制。
工厂生产的产品由于已经完成设计，可能采用这种高精度的电阻器，因此能够达到很好的技术指标的精度。
另外不推荐使用可调电阻和电位器来获得需要的电阻值，因为这样可能导致电路的可靠性和稳定性等指标的下降。
2.3电压跟随器电路
运算放大器芯片内部各级电路之间采用直接耦合的连接方式，因此它可以处理频率非常低的信号，甚至直流信号。
这样的信号可以是一些传感器的输出信号，需要使用放大器将这样的近似直流、幅度非常小的信号进行放大，便于后级电路继续处理。
图2.3所示的电压跟随器电路现在用来处理直流信号，当然前面涉及的同相放大器电路也能处理直流信号。
这里的运算放大器芯片仍然采用NE5532芯片。
图2.3电压跟随器电路图
电压跟随器电路所需要的直流信号由电位器W1与电源VCC和–VCC组成的分压电路产生。
分压电路产生的直流信号幅度调整范围为–VCC～VCC。
分压电路输出端的电容C5用来滤除直流信号中的噪声干扰。
电压跟随器电路的电压增益AV=1，即输出电压理论上应与输入电压相等。
表2.6给出电路输入/输出特性的测量数据，这里电源输出电压选择为±5V；负载电阻RL选择1kΩ。
表2.6电压跟随器的输入/输出信号特性
输入Vi（V）
-4.00
-3.00
-2.02
-1.02
0.00
1.02
2.00
3.00
4.00
输出Vo（V）
-3.62*
-3.05
-2.08
-1.06
-0.09
1.04
2.07
3.03
3.68*
*注：
出现输出电压限幅
表2.6的测试数据中，由于电位器调整的原因，部分输入电压数值没能调整到一个整数。
再有，当电压跟随器的输入直流电压为0，电路的输出电压并不为0。
导致这种现象的原因有很多，可以分为运算放大器芯片的原因和电路的原因。
运算放大器芯片的原因可以通过以下芯片的技术指标说明，这些技术指标包括输入失调电压VIO和输入偏置电流IIB。
理想的运算放大器芯片在输入为0的时候，输出也为0，但是理想的芯片是不存在的。
芯片制造过程中的任何不理想都会导致电路误差，这些误差的一种表现就是在芯片的输入电压为0，但是它的输出电压并不为0。
输入失调电压VIO的定义是为使得输出电压为0而需要在芯片的输入端施加的一个直流补偿电压。
芯片的输入失调电压VIO的数值越大，当输入电压为0时，它的输出电压越大。
NE5532运算放大器芯片的输入失调电压VIO的典型值为0.5mV，最大值为4mV。
为了保证晶体管正常工作，电路必须提供一个合适的直流工作点。
同样，为了正确工作，所有运算放大器芯片也需要一定量的偏置电流。
输入偏置电流IIB定义为流入运算放大器芯片两个输入端电流的平均值。
由于运算放大器芯片的两个输入端都存在电流，当分别从这两个输入端向芯片外面看的电阻数值不相同，则输入偏置电流IIB产生的电压数值将不相同，从而在电路输出端产生一个不为0的电压。
图2.4所示的电压跟随器电路从两个输入端向芯片外面看的电阻数值就是不相同的。
为降低输入偏置电流IIB对输出产生的影响，可以在反馈回路中串接一个电阻，该电阻的阻值等于从芯片同相输入端看出去的等效电阻的阻值。
NE5532运算放大器芯片偏置电流IIB的典型值为200nA，最大值为800nA。
表2.6的测试数据还显示出电压跟随器电路的输入/输出特性具有非线性特点。
这个输入/输出特性的非线性在控制系统中将产生控制误差，在处理正弦信号时将导致输出的正弦信号产生非线性失真。
当输入电压Vi的幅度为4V时，输出电压产生非常大的误差，这是因为输出电压幅度达不到电源电压的幅度。
这种现象称作为输出饱和，图2.5显示了运算放大器芯片输入差分电压vD和输出电压vo的关系。
图2.4运算放大器芯片的输入/输出特性
图2.4所示的输入/输出特性可以被划分为3种不同的工作区域。
过原点的斜线为运算放大器芯片的线性工作区，它的斜率为芯片的开环电压增益a。
当芯片工作在这个区域，它可以等效为一个电压控制电压源avD。
随着输入电压vD的增加，芯片内部的晶体管将进入饱和状态，这时将进入“上饱和区”，输出电压达到VOH以后就保持不变。
“下饱和区”的情况也是类似的。
输出饱和电压VOH一般低于电源电压VCC几个PN结的电压降；而输出饱和电压VOL高于电源电压-VCC几个PN结的电压降。
表2.5的测试数据显示NE5532运算放大器芯片在电源电压选择±5V时，饱和电压VOH和VOL的幅度约为3.6V，即输出信号的最大幅度与电源电压之间存在约1.4V的电压差。
这个电压差基本不随电源电压的改变而变化，因此为了获得更大的输出电压幅度，增加电源电压是一种方法。
如果增加电源电压受到限制，那么可以采用一种称作为“轨到轨”（rail-to-rail）类型的运算放大器芯片。
这里的“轨”指的是电源电压，“轨到轨”表示输出电压的摆动幅度能够分别接近正和负的电源电压。
2.4反相放大器电路
本节用来进行分析和测试的反相放大器电路如图2.6所示，这里的运算放大器芯片仍然采用NE5532芯片。
电源继续采用正、负两个电源供电，工作电压同样选择为±5V。
图2.5反相放大器电路图
图2.5所示的反相放大器电路反相放大器电路的闭环电压增益为
（2.6）
式（2.6）显示，运算放大器电路闭环电压增益的大小仍然由反馈回路电阻的比值RF/RG决定。
例如希望设计一个电压增益数值为10的放大器，这时反馈电阻RF和增益电阻RG的比值满足
RF/RG=|AV|=10
即可。
使用NE5532芯片，按照前面同相放大器选择反馈电路电阻的经验，选择反相放大器反馈电阻RF和增益电阻RG的阻值分别为10kΩ和1kΩ，负载电阻RL选择1kΩ。
选择信号产生器输出信号的电压峰峰值为100mV，改变信号产生器输出信号的频率，测量放大器的输出电压，获得放大器的频率特性如表2.7所示。
表2.7反相放大器的频率特性（AV=–10）
工作频率（Hz）
10
100
1k
10k
100k
500k
1M
5M
输入vip-p（mV）
108
108
108
107
106
106
105
111
输出vop-p（mV）
1020
1020
1030
1020
1030
1130
722
109
|AV|
9.44
9.44
9.54
9.53
9.72
10
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