7.運算放大器指標測試方法

2.7運算放大器指標測試方法一、實驗目的掌握運算放大器主要指標的測試方法。通過測試，了解集成運算放大器組件的主要參數(shù)定義和表示方法。二、實驗原理集成運算放大器是一種線性集成電路，和其他半導體器件一樣，是用一些性能指標來衡量其質(zhì)量的優(yōu)劣。為了正確使用集成運放，就必須了解它的主要參數(shù)。集成運放的各項指標通常是由專用儀器進行測試的，這里介紹的是一種簡單測試方法。本實驗采用的集成運放型號為LM324,引腳排列如圖2-7-1所示。它是十六腳雙列直插式組件，共有四個獨立運算放大器，共有一個電源，4腳為電源正；11為電源負。圖2-7-1LM324管腳圖圖2-7-2Uos、Ios測試電路RfE.Ik1.輸入失調(diào)電壓Uos理想運放組件，當輸入信號為零時其輸出為零。但是即便最優(yōu)質(zhì)的集成組件，由于運放內(nèi)部差動輸入及參數(shù)的不完全對稱，輸出電壓往往不為零。這種零輸入時輸出不為零的現(xiàn)象稱為集成運放的失調(diào)。輸入失調(diào)電壓Uos――是指輸入信號為零時，輸出端出現(xiàn)的電壓折算到同向輸入端的數(shù)值。失調(diào)電壓測試電路如圖2-7-2所示。閉合開關(guān)Ki及K2,使電阻Rb短接，測量此時的輸出電壓Uoi即為輸出失調(diào)電壓，則輸入失調(diào)電壓：實際測出的U01可能為正，也能為負，高質(zhì)量的運放Uos一般在1mv以下。測試中應注意：①將運放調(diào)零端開路。②要求電阻Ri和R2、R3和Rf的參數(shù)嚴格對稱。2.輸入失調(diào)電流Ios輸入失調(diào)電流Ios――是指輸入信號為零時，運放的兩個輸入端的基極偏置電流之差：輸入失調(diào)電流的大小反映了運放內(nèi)部差動輸入級兩個晶體管B的失配度，由于I、IBiB2Ios=|lDl-I恥|本身的數(shù)值已很?。ㄎ布墸?，因此他們的差值通常不能直接測量的，測試電路如圖2-7-2

所示，測試分兩步進行：閉合開關(guān)K1及K2,在低輸入電阻下，測出輸出電壓Uoi，如前所述，這是由輸入失調(diào)電壓Uos所引起的輸出電壓。斷開K1及K2兩個輸入電阻RB注入，由于阻RB值較大，流經(jīng)他們的輸入電流的差異，將變成輸入電壓的差異，因此，也會影響輸入電壓的大小，可見測出兩個電阻Rb接入時的輸出電壓U02，若從中扣除輸入失調(diào)電壓Uos的影響，輸入失調(diào)電流Ios為：一般，Ios在100nA以下。測試中應注意：①將運放調(diào)零端開路。②兩輸入端電阻必須精確配對。3.開環(huán)差模放大器倍數(shù)Aud集成運放在沒有外部反饋時的直流差摸放大倍數(shù)稱為開環(huán)差摸放大倍數(shù)，用Aud表示。它的定義為開環(huán)輸出電壓Uo與兩個差分輸入端之間所加信號電壓Uid之比：按定義Aud應是信號頻率為零時的直流放大倍數(shù)，但為了測試方便，通常采用低頻（幾十Hz以下）正弦交流信號進行運放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)很高，測量，故一般采用閉環(huán)測量方圖2-7-3Aud則試電路十Hz以下）正弦交流信號進行運放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)很高，測量，故一般采用閉環(huán)測量方圖2-7-3Aud則試電路亠I厶/ud^uspauAd的測量很多，現(xiàn)采用交、ud環(huán)的測試方法，如圖2-7-3測量，由于集成難以直接進行法，Rs51Q直流同時閉所示：被測運放一方面通過R1和R2、Rf完成直流閉環(huán)，以抑制輸出電壓漂移，另一方面通過Rs、Rf實現(xiàn)交流閉環(huán)，外加信號Us經(jīng)Ri和R2分壓，使uid足夠小，以保證運放工作在線性區(qū)，同相輸入端電阻R3應與反相輸入電阻R2相匹配，以減小輸入偏置電流的影響，電容C為隔直電容。被測運放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)為：測試中應注意：①測試前電路應首先消振及調(diào)零。被測運放要工作在線性區(qū)輸入信號頻率應較低，一般在50?100Hz，輸出信號幅度應較小,并且沒有明顯失真4.共模抑制比CMRR集成運放的差摸放大倍數(shù)Ad與共摸電壓放大倍數(shù)Ac之比稱為共摸抑制比：共摸抑制比在應用中是一個很重要的參數(shù)，理想運放對輸入的共摸信號輸出應為零，但實際的集成運放中，其輸出不可能沒有共摸信號的成分，輸出端共摸信號愈小，說明電路對稱性愈好，也就是說運放對公摸干擾信號的抑制能力愈強，即CMRR愈大。CMRR的測試電路如圖2-7-4所示：圖2-7-4集成運放工作在閉環(huán)狀態(tài)下的差摸電壓放大倍數(shù)為:扁一-旦E1當接入共模輸入信號Uic時，測得Uoc，則共摸電壓放大倍數(shù)為:Ac-Uic-IRf-IRfUoc—IR1Uic噸|詈測試中應注意：①消振及調(diào)零。Ri和R2、R3和Rf之間阻值嚴格對稱。輸入信號Uic幅度必須小于集成運放的最大共摸輸入電壓范圍。.共模輸入電壓范圍Uicm集成運放所能承受的最大共模電壓稱為共模輸入電壓范圍，超出這個范圍，運放的共模抑制比CMRR會大大下降，輸出波形產(chǎn)生失真，有些運放還會出現(xiàn)“自鎖”現(xiàn)象以及永久性的損壞。圖2-7-5為Uicm的測試電路。被測運放接成電壓跟隨器形式，輸出端接示波器，觀察最大不失真輸輸出波形，從而確定Uicm值。.輸出電壓最大動態(tài)范圍UOpp集成運放的動態(tài)范圍與電源電壓、外接負載及信號源頻率有關(guān)。測試電路如圖2-7-6所示。改變Us幅度，觀察Uo削頂失真開始時刻，從而確定Uo的不失真范圍，這就是運放定電源電壓下輸出的電壓峰峰值Uopp。集成運放在使用時應考慮的一些問題：輸入信號選用交、直流量均可，但在選取信號的頻率和幅度時，應考慮運放的頻響特性和輸出幅度的限制。調(diào)零。為提高運算精度，在運算前，應首先對直流輸出電位進行調(diào)零，即保證輸入為零時，輸出也為零。當運放有外接調(diào)零端子時，可接組件要求接入調(diào)零電位器Rw,調(diào)零時，將輸入端接地，調(diào)零端接入電位器Rw,用萬用表測量輸出電壓U。，細心調(diào)節(jié)Rw,使為Uo零（即失調(diào)電壓為零）如運放沒有調(diào)不端子，若要調(diào)零，可按圖2-7-7所示電路進行調(diào)零。(a)Rf(a)Rf一個運放如不能調(diào)零，大致有如下原因：①組件正常，接線有錯誤。②散件正常，但負反饋不夠強（Rf/R1太大），為此可將Rf短路，觀察是否能調(diào)零。③組件正常，但由于它所允許的共模輸入電壓大低，可能出現(xiàn)自鎖現(xiàn)象，因而不能調(diào)零。為此可將電源斷開后，再重新接通，如能恢復正常，則屬于這種情況。④組件正常，但電路有自激現(xiàn)象，應進行消振。⑤組件內(nèi)部損壞，應更換好的集成塊。消振。一個集成運放自激時，表現(xiàn)為即使輸入信號為零，亦會有輸出，使各種運算功能無法實現(xiàn)，嚴重時還會損壞器件。在實驗中，可用示波器監(jiān)視輸出波形。為消除運放的自激，常米用如下措施：①若運放有相位補償端子，可利用外接RC補償電路，產(chǎn)品手冊中有補償電路及元件參數(shù)提供。②電路布線、元器件布局應盡量減少分布電容。③在正、負電源進線與地之間接上幾十uF的電解電容和0.01?0.1uF的陶瓷電容相并聯(lián)以減小電源引線的影響。注：自激消除方法清參考實驗附錄。三、實驗設備與器件函數(shù)信號發(fā)生器、萬用表、雙蹤示波器集成運算放大罌LM324、電阻器、電容器若干。四、實驗內(nèi)容實驗首先看清運放管腳排列及電源電壓極性及數(shù)值，切忌正、負電源接反。1?測量輸入失調(diào)電壓Uos按圖2-7-2連接實驗電路，閉合開關(guān)K1、K2,用萬用表測量輸出端電壓U01，并計算Uos。記入表2-7-1。表2-7-1UoE(TTiV)Ios(nA)And(db)CMRR(db)實測值典形值實測值典形值實測值典形值實測值典形值2.測量輸入失調(diào)電流Ios實驗電路如圖2-7-2打開開關(guān)陌、K2,用萬用表測量U02，并計算Ios。記入表7-1。3?測量開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud按圖2-7-3連接實驗電路，運放輸入端加入頻率f=1000HZ，大小約30~50mV正弦信號，用示波器監(jiān)視輸出波形，并測出U。和Ui，并計算Aud。記入表7-1。4.測量共模抑制比CMRR按圖2-7-4連接實驗電路，運放輸入端加入頻率f=1000HZUic=1~2V正弦信號，監(jiān)視輸出波形。測量Uoc和Uic，計算Ac及CMRR。記入表7-1。5.測量共模輸入電壓范圍Uicm及輸出電壓最大動態(tài)范圍Uopp。自擬實驗