实验35 双极性运算放大器参数的测试.doc

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=Avo VID，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。输出+输出+输入 ViR FR2R1+C FC FV IDFATRVO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/CF，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 206Avo = 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= Vo1Vo2=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。G图35.3 开环差模输入电阻和输出电阻测试原理RIR+RLATRVOVSVIK2Ros+RidFR1RC FK 1K3RF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=AvDV 1，再将k1、k2断开，测得输出正弦信号Vo2，其值为Vo2 = AvDV 1RID/( RID+2R)= Vo1RID/( RID+2R)由此求得 RID=Vo2/( Vo1Vo2)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。2074.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=AvDV 1，这里V 1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AvDV 1RL/( ROS+RL)= Vo1 RL/( 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100，RFRI，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= RI VO1/( RI + RF ) （35.6)RFRI2R+ATRVOIB1FVIK2mVFRI1RFK 1图35.4 输入失调电压和失调电流测试原理图IB26.输入失调电流IIOIIO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= IIO R。若这时测得输出电压为VO2，根据前面的计算公式可知 VO2= (VO1+ IIO R) ( RI+RF) / RI，由此可得208IIO= 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RFRI，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) RI2R+ATVORI1RFC 图35.5 共模抑制比测试原理图VikCMR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图35.6 电压转换速率测试原理图tR+ATVORFCL; FR1GRLY1 双线Y2 示波器Y2(a)VOV1tVOVO(b) 209SR=Vo/Vt（V /s)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2。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。V150%Vtd(r)250%0.10.10.90.9td(r)trtr(p) (f)tr(p) (f)tf2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：210G100k(b)100K 110k100100kK210kAK3mAF23AT+746mAFKSK33kK63k3kK4GVIO+32A6K6ICIe+15V15VVO图35.8 运算放大器参数测试电路Vt(接Y1)1000pFVOK3GVI23+6K2R1GK1K410k3k200F200F51k5.1R110k(a)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.100124页，科学出版社，1982年。2 沈尚贤，模拟电子学，p231334