双极性运算放大器参数的测试.docx

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双极性运算放大器参数的测试

实验35双极性运算放大器参数的测试

运算放大器（简称运放）是一种直接耦合的高效增益放大器，在外接不同反馈网络后，可具有不同的运算功能。

运算放大器除了可对输入信号进行加、减、乘、除、微分、积分等数学运算外，还在自动控制，测量技术、仪器仪表等各个领域得到广泛的应用。

为了更好的使用运算放大器，必须对它的各种参数有一个较为全面地了解。

运算放大器结构十分复杂，参数很多，测试方法各异。

本实验的目的是熟悉运算放大器主要参数的测试原理，掌握这些参数的测试方法。

一、实验原理

运算放大器的符号如图35.1，它有两个输入端，一个是反相输入端用“—”表示，另一个位同相输入端，用“+”表示。

可以单端输入，也可以双端输入。

若把输入信号接在“—”输入端，而“+”端接地，或通过电阻接地，则输出信号与输入信号反相，反之则同相。

若两个输入端同时输入信号电压为V_和V+时，其差动输入信号为VID=V_—V+。

开环输出电压Vo=AvoVID，Avo为开环电压放大倍数。

运算放大器在实际使用中，为了改善电路的性能，在输入端和输出端之间总是接有不同的反馈网络。

通常是接在输出端和反相输入端之间。

1.开环电压增益

开环电压增益是指放大器在无反馈时的差模电压增益，其值为输出电压变化量⊿Vo和输入电压变化量⊿VI之比

Avo=⊿Vo/⊿VI（35.1）

由于Avo很大，输入信号VI很小，加之输入电压与输出电压之间有相位差，从而引入了较大的测试误差，实际测试中难以实现。

测试开环电压增益时，都采用交流开环，直流闭环的方法。

测试原理如图35.2所示。

图35.1运算放大器符号图35.2开环支流电压增益测试原理图

直流通过RF实现全反馈，放大器的直流增益很小，故输入直流电平十分稳定，不需进行零点调节。

取CF足够大，以满足RF>>1/ΩCF，使放大器的反相端交流接地，以保证交流开环的目的。

这样只要测得交流信号和电压VS和VO和，就能得到

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Avo=Vo/VI=Vo/[R1/（R+R2）Vs]=（R1+R2）/R1?

（Vo/VS）

在讯号频率固定的条件下，增加输入信号电压幅度，使输出端获得最大无失真的波形。

保持输入电压不变，增加输入电压频率，当输出电压的幅值降低到低频率值的0.707倍，此时频率为开环带宽。

2.输入偏置电流IIB

当运算放大器的输出电压为零（或规定值）是流入两个输入端偏置电流的平均值，为输入偏置电流IIB。

设两偏置电流为IIB1和IIB2，则

IIB=（IIB1+IIB2）/2

用图35.3测试，若VS=0，ks断开，当k1闭合，k2断开，测得输出电压vo1。

当当k2闭合，k1断开，又可测得输出电压vo2。

⊿Vo=Vo1—Vo2=2RIIB（1+RF/RI）

IIB=⊿Vo/[2R（1+RF/RI）]（35.3）

3.开环差模输入电阻RID

开环差模输入电阻RID是只差模输入电压变化与对应的输入电流变化之比。

其测试原理如图35.3所示。

在该图中，要取CF足够大，使交流短路，构成交流开环，而直流是闭环，稳定直流输出电压。

测试RID分两步进行，将低频正弦信号VS输入电路，先将k1、k2闭合，测得输出正弦信号Vo1=AvDV1，再将k1、k2断开，测得输出正弦信号Vo2，其值为

Vo2=AvDV1[RID/（RID+2R）]=Vo1[RID/（RID+2R）]

由此求得RID=Vo2/（Vo1—Vo2）×2R

输入正弦信号VS的频率一般不超过1KHz，以清除电容的影响。

R不宜太大，以减小噪声的影响。

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4.开环输出电阻ROS

开环输出电阻ROS是指输出电压变化与其对应的输出电流变化之比。

仍用35.3的电路进行测试。

测试分两步进行，先将k1、k2闭合，k3断开，送入低频正弦信号VS，测得输出Vo1=AvDV1，这里V1为输入端信号。

闭合k2，接入负载阻抗RL，再次测得输出电压Vo2为

AvDV1RL/（ROS+RL）=Vo1RL/（ROS+RL）求得

ROS=（Vo1-Vo2）RL/Vo2（35.5）

5.输入失调电压VIO

由于运放电路参数的不对称，使得两个输入端都接地时，输出电压不为零，称为放大器的失调。

为了使输出电压回到零，就必须在输入端加上一个纠偏电压来补偿这种失调，这个所加的纠偏电压就叫运算放大器的输入失调电压，用VIO表示。

故VIO的定义为使输出电压为零在两个输入端之间需加有的直流补偿电压。

输入失调电压的测量原理如图35.4所示。

图中直流电路通过RI和RF接成闭合环路。

通常RI的取值不超过100Ω，RF>>RI，这是若测得输出电压为VO1，就可推算出输入端的失调电压为

VIO=RIVO1/（RI+RF）（35.6）

6.输入失调电流IIO

IIO的定义为补偿失调电压后，使输出电压为零，而流入运算放大器两输入端的电流之差。

即

IIO=（Ib1-Ib2）（35.7）

测试原理仍用图35.4，分两步进行。

第一步将k1和k2闭合，测得输出电压为VO1，因这时的电路和测试输入失调电压完全一样，故可得VO1=VIO（RI+RF）/RI

第二步将k1和k2都断开，此时运放的两个输入端，除了失调电压VIO之外，还有输入电流Ib1和Ib2在电阻上所产生的电压，即Ib1R-Ib2R=（Ib1-Ib2）R=IIOR。

若这时测得输出电压为VO2，根据前面的计算公式可知

VO2=（VO1+IIOR）?

（RI+RF）/RI，

由此可得

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IIO=[RI/（RI+RF）]?

[（Vo2–Vo1）/R]（35.8）

7.共模抑制比kCMR

运放应对共模信号有很强的抑制能力。

表征这种能力的参数叫共模抑制比，用kCMR表示。

它定义为差模电压增益AvD和共模电压增益Avc之比，即kCMR=∣AvD/Avc∣。

测试原理如图35.5所示。

由于RF>>RI，该闭环电路对差模信号的增益AvD=RF/RI。

共模信号的增益AvC=（VO/VS）。

因此，只要从电路上测出VO和VS，即可求出共模抑制比

kCMR=∣AvD/Avc∣=（RF/RI）?

kCMR的大小往往与频率有关，同时也

与输入信号大小和波形有关。

测量的频率不宜太高，信号不宜太大。

8.共模抑制比VICM

最大共模输入电压是指最大不失真共

模输出正弦波电压时的共模输入电压。

其

测试原理仍用如图35.5的电路。

测试方法

是将VS由小到大逐渐增加，观察到输出波形刚出现失真时，记下这时输入信号值，就是最大共模输入电压。

由于输入电压加大后，kCMR将下降，故也有将VICM定义为使kCMR下降6分贝的输入电压。

测试时可将两种定义的测试结果进行比较。

9.电压转换速率SR的测试

电压转换速率SR定义为运放在单位增益状态下，在运放输入端送入规定的大信号阶跃脉冲电压时，输出电压随时间的最大变化率。

SR的测试原理如图35.6（a）所示。

测试时取RI=RF，在输入端送入脉冲电压，从输出端见到输出波形，如图35.6（b）所示。

这是可以规定过冲量的输出脉冲电压上升沿（下降沿）的恒定变化率区间内，取输出电压幅度⊿Vo和对应的时间⊿Vt，然后由计算公式求出

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SR=⊿Vo/⊿Vt（V/μs）

通常上升过程和下降过程不同，故应分别测出SR﹢和SR﹣。

10.脉冲响应时间的测试

脉冲响应时间包括上升时间，下降时间、延迟时间、和脉动时间等，测试原理仍如图35.6（a）所示，取RF>RI，RI远大于信号源内阻、规定的误差带为2ε。

读取响应时间方法如图35.7所示。

其中tr为上升时间，tf为下降时间，td（r）为上升延迟时间，td（f）为下降延迟时间。

图35.7读取响应时间方法

二、实验内容

1.开环电压增益测量。

2.输入偏置电流测量。

3.开环差模输入电阻测量。

4.开环输出电阻测量。

5.输入失调电压测量。

6.输入失调电流测量。

7.共模抑制比测量。

8.电压转换速率测量。

9.脉冲响应时间测量。

三、实验步骤

以图35.8所示的电路进行参数测试，步骤如下：

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1.测试运放得开环特性参数用图35.8（a）电路。

测试时将k2接输入信号，k1接电容。

K3、k4根据需要可接入RL和CL。

参照实验原理进行各个参数的测试。

2.测试大信号脉冲参数也采用图35.8（a）的电路。

测试时将k2接电阻，k1接脉冲信号源，RI根据需要选取，从输入和输出脉冲波形中读取各个有关脉冲的参数。

测试时可利用K3和k4接入负载RL和CL以观察RL和CL对脉冲参数的影响。

3.测试失调特性参数和共模特性参数都采用图35.8（b）的电路。

图中的AT为被测电路，A为辅助电路。

若采用单电路测试方法，可将K6和K7断开，K5闭合。

变幻开关位置，即可测试各个参数。

4.在图35.8（b）中将k4、K3接地，分别在k1断开，k2闭合和k1闭合、k2断开两种情况下，测出辅助放大器的输出电压Vo1和Vo2，带入式（35.3）中，即可计算出IIB。

测VID和IID时，都是将k4、K8接地，通过k1和k2的闭合断开，测出辅助放大器的输出电压Vo1和Vo2，计算VIO和IIO；测试共模特性参数时，将k1，k2闭合，k4接地，从K3送入正弦信号VS，测出辅助放大器的输出电压VL，计算出kCMR

四、实验数据处理

根据实验内容和要求，将有关输入输出波形描绘下来，详细记录各个测试数据，并作相应的计算。

五、思考题

1.VCC和Vee的大小对最大输出峰峰电压有何影响？

2.运放在小信号下工作和大信号下工作，状态有何不同？

3.采用辅助放大器测试有什么优点？

试分析测试线路原理。

六、参考资料

[1]李清泉、黄昌宁，集成运算放大器原理及应用，p.100—124页，科学出版社，1982年。

[2]沈尚贤，模拟电子学，p231—334.人民邮电出版社，1983年。

[3]中华人民共和国国家标准，半导体集成电路运算（电压）放大器测试方法的基本原理，GB3442—86，中国标准出版社，1988年。

[4]JohnR.Hufault,OP-AMPNetworkDesign,p.1-80,JohnWiley&Sons,1986.

[5]JosephCarr,OP-AMPCircuitDesignandApplications,p.234—240,TABBOOKS,1976.

（叶绿）