双极性运算放大器参数的测试

1、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“一”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

2、把输入信号接在“一”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丫_和V+时，其差动输入信号为Vid=V_V+o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/V之比Avo=，Vo/，V(35.1)由于Avo很大，输入信号V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

3、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所示输入一输出一Q输出+图35.1运算放大器符号ViRVoR2IIIiRU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。足够大，以满足Rf>>1/Q。，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/V=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

4、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I旧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IibDIib2,则IIB=(IIB1+I旧2)/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voi。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Rd开环差模输入电阻Rd是只差模输入电压变化与对应的输入电流变化之

5、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。图35.3开环差模输入电阻和输出电阻测测试Rd分两步进行，将低频正弦信号达输入电路，先将k1、k2闭合，测得输出正弦信号Voi=AvdV1,再将k1、k2断开，测得输出正弦信号VQ2,其值为Vo2=AvdViRid/(Rid+2F)=VqiRid/(Rid+2F)由此求得Rd=Vo2/(VoiVo2)X2R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Rds开环输出电阻R)s是指输出电压变化与其对应的输出电流变化

6、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Voi=AvdV1,这里V1为输入端信号。闭合k2,接入负载阻抗R-,再次测得输出电压V02为AvdViRL/(Ros+FL)=VoiRl/(Ros+R)求得Rds=(Voi-V02)Rl/V02(35.5)5 .输入失调电压Vo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V。表示。故V。的定义为使输出电压为零在两个输入端之间需加

7、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R和寸接成闭合环路。通常R的取值不超过100Q,RF>>R,这是若测得输出电压为Voi,就可推算出输入端的失调电压为Vo=RiVo1/(Ri+Rf)(35.6)图35.4输入失调电压和失调电流测试6 .输入失调电流I1。II。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=(Ibi-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VOi,因这时的电路和测试输入失调电压完全一样，故可得VOi=Vo(Ri+R)/Ri第二步将k1和

8、k2都断开，此时运放的两个输入端，除了失调电压V。之外，还有输入电流Ibi和|b2在电阻上所产生的电压，即IblR-|b2R=(|bi-|b2)R=IioRo若这时测得输出电压为VO2,根据前面的计算公式可知VO2=(Vo+IIOR)?(Ri+R)/RI,由此可得208Iio=Ri/(Ri+R)?(V02-Voi)/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kCMRS示。它定义为差模电压增益Avd和共模电压增益Avc之比，即kCM=IAvd/AvcI0测试原理如图35.5所示。由于R>>R,该闭环电路对差模信号的增益A

9、vd=R/Ri。共模信号的增益Avc=(VOVs)。因此，只要从电路上测出V。和Vs,即可求出共模抑制比kCM=IAvd/AvcI=(R/Ri)kCMR的大小往往与频率有关，同与输入信号大小和波形有关。测量的宜太高，信号不宜太大。最大共模输入电压是指最大不失图35.5共模抑制比测试原8 .共模抑制比VIcm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。测试方法是将依由小到大逐渐增加，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等下降，故也有将VCM定义为使kCMRl邛16分贝的输入电压。测试时可将两种定义的测试结果进行

10、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R=电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(a)(b)图35.6电压转换速率测试原理2098=，Vo/，Vt(V/ps)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、

11、和脉动时间等，测试原理仍如图35.6（a）所示，取RF>R,R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。图35.7读取响应时间方法、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：210100k100100，(b)>Vt(接Y1

12、)10k(a)图35.8运算放大器参数测试电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K&k4根据需要可接入RL和。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，R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R和CL以观察R_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

13、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Voi和V02,带入式(35.3)中，即可计算出I旧。测Vd和|id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Voi和V02,计算Vo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，p231334.人民邮电出版社