实验5-集成运算放大器参数测试

36 实验五实验五 集成运算放大器参数测试集成运算放大器参数测试 一 实验目的 一 实验目的 1 通过对集成运算放大器 741 参数的测试 了解集成运算放大器组件主要参数的定义 和表示方法 2 掌握运算放大器主要参数的测试方法 二 实验原理 二 实验原理 集成运算放大器是一种使用广泛的线性集成电路器件 和其它电子器件一样 其特性 是通过性能参数来表示的 集成电路生产厂家为描述其生产的集成电路器件的特性 通过 大量的测试 为各种型号的集成电路制定了性能指标 运算放大器的性能参数可以使用专 用的测试仪器进行测试 运算放大器性能参数测试仪 也可以根据参数的定义 采用一 些简易的方法进行测试 本次实验是学习使用常规仪表 对运算放大器的一些重要参数进 行简易测试的方法 实验中采用的集成运算放大器型号为 741 其引脚排列如图 5 1 所示 它是一种八脚双 列直插式器件 其引脚定义如下 调零端 反相输入端 同相输入端 电源负极 输出端 电源正极 空脚 以下为主要参数的测试方法 1 输入失调电压 输入失调电压 理想运算放大器 当输入信号为零时其输出也为零 但在真实的集成电路器件中 由 于输入级的差动放大电路总会存在一些不对称的现象 由晶体管组成的差动输入级 不对 称的主要原因是两个差放管的 UBE不相等 使得输入为零时 输出不为零 这种输入为零输入为零 而输出不为零的现象称为而输出不为零的现象称为 失调失调 为讨论方便 人们将由于器件内部的不对称所造成的失由于器件内部的不对称所造成的失 调现象 看成是由于外部存在一个误差电压而造成 这个外部的误差电压叫做调现象 看成是由于外部存在一个误差电压而造成 这个外部的误差电压叫做 输入失调电输入失调电 压压 记作 记作 UIO或或 VOS 输入失调电压在数值上等于输入为零时的输出电压除以运算放大器的开环电压放大倍 图 5 1 741 引脚 V V Uo 1234 5678 UA741 37 数 od OO IO A U U 式中 UIO 输入失调电压 UOO 输入为零时的输出电压值 Aod 运算放大器的开环电压放大倍数 本次实验采用的失调电压测试电路如图 5 2 所 示 闭合开关 K1及 K2 使电阻 RB短接 测量此 时的输出电压 UO1即为输出输出失调电压 则输入输入失调 电压 1O F1 1 IO U RR R U 实际测出的 UO1可能为正 也可能为负 高 质量的运算放大器 UIO一般在 1mV 以下 测试中应注意 要求电阻 R1和 R2 R3和 RF的阻值精确配对 2 输入失调电流 输入失调电流 IIO 当输入信号为的零时 运放两个输入端的输入偏置电流之差称为输入失调电流 记为当输入信号为的零时 运放两个输入端的输入偏置电流之差称为输入失调电流 记为 IIO 有的资料中使用符号 有的资料中使用符号 IOS 2B1BIO III 式中 IB1 IB2分别是运算放大器两个输入端的输入偏置电流 输入失调电流的大小反映了运放内部差动输入级的两个晶体管的失配度 由于 IB1 IB2 本身的数值已很小 A 或 nA 级 因此它们的差值通常不是直接测量的 测试电路如图 5 2 所示 测试分两步进行 1 闭合开关 K1及 K2 将两个 RB短路 在低输入电阻下 测出输出电压 UO1 如前 所述 这是输入失调电压 UIO所引起的输出电压 2 断开 K1及 K2 将输入电阻 RB接入两个输入端的输入电路中 由于 RB阻值较大 流经它们的输入电流的差异 将变成输入电压的差异 因此 也会影响输出电压的大小 因此 测出两个电阻 RB接入时的输出电压 UO2 从中扣除输入失调电压 UIO的影响 即 UO1 则输入失调电流 IIO为 BF1 1 2O1O2B1BIO R 1 RR R UUIII o 2 3 4 5 2 图 5 2 UIO IIO测试电路 38 一般 IIO在 100nA 以下 测试中应注意 两端输入电阻 RB应精确配对 3 开环差模放大倍数 开环差模放大倍数 Aod 集成运放在没有外部反馈时的直流差模放大倍数称为开环差模电压放大倍数 用集成运放在没有外部反馈时的直流差模放大倍数称为开环差模电压放大倍数 用 Aod 表示表示 它定义为开环输出电压 UO与两个差分输入端之间所加差模输入信号 Uid 之比 或 dB id O od U U A id O od U U lg20A 按定义 Aod应是信号频率为零时的直流放大倍数 但为了测试方便 通常采用低频 几十赫兹以下 正弦交流信号进行测量 由于集成运放的开环电压放大倍数很高 而且 在开环情况下 UO的漂移量太大 难以直接进行测量 故一般采用闭环测量方法 Aod的测 试方法很多 现采用交 直流同时闭环的测试方法 如图 5 3 所示 被测运放一方面通过 RF R1 R2完成直流闭环 以抑制输出电压漂移 另一方面通过 RF和 RS实现交流闭环 外加信号 US经 R1 R2分压 使 Uid足够小 以保证运放工作在线 性区 同相输入端电阻 R3应与反相输入端电阻 R2相匹配 以减小输入偏置电流影响 电 容 C 为隔直电容 被测运放的开环电压放大倍数 为 i o 2 1 od U U R R 1A Aod一般约为 105 100dB 左右 测试中应注意 输入信号频率应较低 一般用 50 100HZ 输出信号幅度应较小 而且无明显失 真 4 共模抑制比 共模抑制比 KCMR 集成运放的差模电压放大倍数集成运放的差模电压放大倍数 Aod与共模电压放大倍数与共模电压放大倍数 Aoc之比称为共模抑制比 记之比称为共模抑制比 记 为为 KCMR 或 或 CMRR 或 oc od CMR A A K dB A A lg20K oc od CMR 图 5 3 Aod 的测试电路 C E 74 1 39 式中 Aod 差模电压放大倍数 Aoc 共模电压放大倍数 共模信号是指加在运算放大器两个输入端上 幅值 相位都相等的输入信号 是一种无用的信 号 常因电路结构 干扰和温漂造成 理想运算 放大器的输入级是完全对称的 其共模电压放大 倍数为零 所以当只输入共模信号时 理想运放 的输出信号为零 当输入信号中包含差模信号与 共模信号两种成份时 理想运放输出信号中的共 模成份为零 但在实际的集成运算放大器中 因 为电路结构不可能完全对称 所以其共模电压放 大倍数不可能为零 当输入信号中含有共模信号时 其输出信号中必然含有共模信号的成 分 输出端共模信号愈小 说明电路对称性愈好 也就是说运放对共模干扰信号的抑制能 力愈强 人们用共模抑制比 KCMR来衡量集成运算放大器对共模信号的抑制能力 KCMR愈 大 对共模信号的抑制能力越强 抗共模干扰的能力越强 KCMR的测试电路如图 5 4 所示 为了便于测试 采用闭环方式 集成运放工作在闭环状态下的差模电压放大倍数 根据使用的电阻值 根据使用的电阻值 用下面公式计 算 1 F d R R A 使用图 5 4 的电路可测得共模输入信号 Uic和共模输出信号 Uoc 根据测得的根据测得的 Uic Uoc 值值用下式计算出共模电压放大倍数 ic oc c U U A 由 Ad和 Ac计算得共模抑制比 oc icF c d CMR U U 1R R A A K 测试中应注意 输入信号 Uic幅度必须小于集成运放的最大共模输入 电压范围 UICM 5 共模输入电压范围 UICM 集成运放所能承受的最大共模电压称为共模输入电压范围 超出这个范围 运放的 C F C 4 5 6 7 1 c 图 5 4 KCMR测试电路 图 5 5 UICM测试电路 2 3 4 1 5 6 7 1 K K 40 KCMR会大大下降 输出波形产生失真 有些运放还会出现 自锁 现象以及永久性的损坏 UICM的测试电路如图 5 5 所示 被测运放接成电压跟随器形式 输出端接示波器 观察最大不失真输出波形 从而确 定 UICM值 6 最大输出电压 UOPP 集成运放的最大输出电压又称输出电压动态范围 记 为 UOPP 该参数与电源电压 外接负载及信号源频率有关 测试电路如图 5 6 所示 改变 US幅度 观察 UO削波顶失真开始时刻 从而确 定 UO的不失真范围 这就是运放在某一定电源电压下可 能输出的电压峰峰值 UOPP 三 实验设备与三 实验设备与器件器件 1 信号发生器 2 双踪示波器 3 交流毫伏表 4 数字万用表 5 集成运算放大器 741 6 电阻器 51 2 51K 2 1K 2 2K 2 10K 2 100K 2 7 电解电容器 100 F 1 四 四 实验实验内容内容 1 测量输入失调电压 UIO 按图 5 2 连接实验电路 闭合开关 K1 K2 用直流电压表测量输出电压 UO1 并计算 UIO 记入表 5 1 表 5 1 UIO mV IIO nA Aod db CMRR db UICM V UOPP V 实测值实测值实测值实测值实测值实测值 2 测量输入失调电流 IIO 实验电路如图 5 2 打开 K1 K2 用直流电压表测量 UO2 计算 IIO 记入表 5 1 3 测量开环差模电压放大倍数 Aod 按图 5 3 连接实验电路 运放输入端加频率 100HZ 大小约为 30mV 50mV 正弦信号 作为 Ui 用示波器监视输出波形 用交流毫伏表测量 Uo和 Ui 并计算 Aod 记入表 5 1 4 测量共模抑制比 KCMR A 图 5 6 UOPP测试电路 41 按图 5 4 连接实验电路 运放输入端加 f 100Hz Uic 1 2V 正弦信号 监视输出 波形 测量 Uoc 和 Uic 计算 Ad AC