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1、83 集成运算放大器参数的测试电信 S09-2-18 李明一实验目的1 了解集成运算放大器的主要参数。2 通过实验，掌握集成运算放大器主要参数的测试方法。二预习要求1 复习集成运算放大器的技术指标，主要参数的定义及测试方法。2 了解用示波器观察运算放大器传输特性的方法。3 了解输入失调电压UIO和输入失调电流IIO产生的原因。三实验设备名称型 号 或 规 格数量示波器日立 V252 1 直流稳压电源JWD2 1 函数信号发生器GFG8020G（或 8016G）1 晶体管毫伏表DA 16 1 万用表YX 960TR 或其它型号1 四实验内容及测试方法反映集成运算放大器特性的参数主要有以下四大类：
2、输入失调特性、开环特性、共模特性及输出瞬态特性。1 集成运算放大器的传输特性及输出电压的动态范围的测试运算放大器输出电压的动态范围是指在不失真条件下所能达到的最大幅度。为了测试方便， 在一般情况下就用其输出电压的最大摆幅Uop-p 当作运算放大器的最大动态范围。输出电压动态范围的测试电路如图1(a）所示。图中ui为 100Hz 正弦信号。当接入负载RL后，逐渐加大输入信号ui的幅值，直至示波器上显示的输出电压波形为最大不失真波形为止，此时的输出电压的峰峰值 Uop-p就是运算放大器的最大摆幅。若将ui输入到示波器的X 轴， uo输入到示波器的Y 轴，就可以利用示波器的X Y 显示，观察到运算放
3、大器的传输特性，如图1 (b) 所示，并可测出Uo p-p的大小。R1Rfuo+15V 27UOP-PR2 A741 6 uo0 ui ui3 4 -15V名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 8 页 - - - - - - - - - 84 （a） 运算放大器输出电压动态范围的测试电路（b） 运算放大器的传输特性曲线图 1（图中： R1 = R2 = 1.2k，Rf= 20k）Uop-p与负载电阻RL有关，对于不同的RL，Uop-p也不同。根据表1，改变负载电
4、阻RL的阻值，记下不同 RL时的 Uop-p，并根据 RL和 Uop-p，求出运算放大器输出电流的最大摆幅Iop-p = Uop-p /RL，运算放大器的Uop-p除了与负载电阻RL有关外， 还与电源电压以及输入信号的频率有关。随着电源电压的降低和信号频率的升高，Uop-p将降低。如果示波器显示出运算放大器的传输特性，即表明该放大器是好的，可以进一步测试运算放大器的其它几项参数。2 集成运算放大器的输入失调特性及其测试方法集成运算放大器的基本电路是差分放大器。由于电路的不对称性必将产生输入误差信号。这个误差信号限制了运算放大器所能放大的最小信号，即限制了运算放大器的灵敏度。这种由于直流偏置不对
5、称所引起的误差信号可以用输入失调电压UIO、输入偏置电流IB、输入失调电流IIO及它们的温度漂移来描述。（1）输入失调电压UIO的测试一个理想的运算放大器，当两输入端加上相同的直流电压或直接接地时，其输出端的直流电压应等于零。但由于电路参数的不对称性，输出电压并不为零，这种现象称为运算放大器的零点偏离或失调，为了使放大器的输出端电压回到零，必须在放大器的输入端加上一个电压来补偿这种失调。所加电压的大小称为该运算放大器的失调电压，用UIO表示。显然UIO越小，说明运算放大器参数的对称性越好。分析表明，运算放大器的UIO主要取决于输入级差分对管Ube的对称性， UIO一般R1 Rf 为 0.5 5
6、mV 。+15V 失调电压的测试电路如图2 所示。用2 7 万用表（最好是数字万用表）测出其输出R1 A741 6 Uo电压 Uo，则输入失调电压UIO可由下式计3 4 算：Rf-15VofIOURRRU11（1）图 2 输入失调电压测试电路（2）输入失调电流的测试(图中： R1=100，Rf = 100k ) 输入端偏置电流IB是指输出端为零电平时，两输入端基极电流的平均值，即：IB =（IB+IB） 2 式中 IB+为同相输入端基极电流，IB为反相输入端基极电流。当电路参数对称时，IB+ = IB。但实际电路中参数总有些不对称，其差值称为运算放大器的输入失调电流，用IIO表示：IIO =
7、IB+ IB显然， IIO的存在将使输出端零点偏离，信号源阻抗越高，失调电流的影响越严重。输入失调电流主要名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 8 页 - - - - - - - - - 85 是由于构成差动输入级的两个三极管的值不一致引起的。IIO一般为 1nA 10 A，其值越小越好。失调电流的测试电路与图2 相同。用万用表分别测量同相端3 对地的电压U3及反相端 2 对地的电压U2，则输入失调电流IIO可由下式计算：22RURUIIISSBBIO（2）输入
8、失调电压UIO和输入失调电流IIO称为运算放大器的静态性能参数。3 运算放大器的开环特性及其测试方法反映运算放大器开环特性的参数主Rf要有：开环电压增益Auo、输入阻抗Ri、R3C R1 +15V 输出阻抗 Ro及增益带宽积。信uiui2 7 （1）开环电压增益Auo的测试号R2 A741 6 uo 开环电压增益Auo是指运算放大器源3 4 没有反馈时的差模电压增益，即运算放RP -15V大器的输出电压Uo与差模输入电压Ui 之比值。开环电压增益通常很高，因此图 3 开环电压增益的测量电路只有在输入电压很小（几百微伏）时，才能保证输出波形不失真。但在小信号输入条件下测试时，易引入各种干扰，所以
9、采用闭环测量方法较好。测试开环电压增益Auo的电路如图3 所示（图中 R1 = Rf= 51k， R2 = RP = 51， R3 = 1k， C = 47 F） 。选择电阻（ R1 + R2）R3，则开环电压增益Auo为：221RRRUUUUAioiouo（3）用毫伏表分别测量Uo及 Ui ，由上式算出开环电压增益Auo。测量时，交流信号源的输出频率应小于100Hz，并用示波器监视输出波形，若有自激振荡，应进行相位补偿、消除振荡后才能进行测量。ui的幅度不能太大，一般取几十毫伏。（2）增益带宽积的测试Rf运算放大器可以工作在零频率+15V （即直流），因此它在截止频率fc uiR1 2 7
10、处的电压增益比直流时的电压增益信 A741 6 uoCH1低 3dB，故运算放大器的带宽BW 号3 4 示波器就等于截止频率fc。增益越高，源RP-15V 带宽越窄，增益带宽积AuoBW CH2=常数，当电压放大倍数等于1 时，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 8 页 - - - - - - - - - 86 对应的带宽称为单位增益带宽。图 4 增益带宽积测量电路增益带宽积的测试电路如图4 所示：其中信号源用来输出Ui = 100mV 的正弦波， 示波器用来
11、观测放大器的输入与输出波形。首先取表2 中第一组阻值Rf = R1 = 10k，测量放大器的单位增益带宽。当信号源的输出频率由低逐渐增高时，电压增益Auo = Uo/ Ui = 1 应保持不变。继续增高频率直到Auo = 0.707 Auo时所对应的频率就是运算放大器电压放大倍数等于1 时的带宽，即单位增益带宽。再取表中第二、第三组数据，分别测出不同电压增益Auo时的带宽BW，通过计算求出增益带宽积AuoBW。实验结果表明：增益增加时，带宽减小，但增益带宽积不变（可能存在测量误差）。因此运算放大器在给定电压增益下，其最高工作频率受到增益带宽积的限制，应用时要特别注意。表 2 增益带宽积测量值R
12、fR1 Auo BW AuoBW 1 10k10k2 100k10k3 1M10k（3）开环输入阻抗的测试+15V 运算放大器的开环输入阻抗Ri 是2 7 指运算放大器在开环状态下，输入差模uSui A741 6信号时，两输入端之间的等效阻抗。信Rw3 4 CH1 开环输入阻抗的测试电路如图5 所号-15V 示波器示。其中信号源为输出电压US = 1V，源频率 fi = 100Hz 的正弦波，调节电位器CH2 RW直到 Ui = US / 2 时为止。关掉电源，取下电位器（注意不要碰电位器的滑动图 5 输入阻抗测试电路（其中：RW =2.2M）端），测量其阻值R，则输入阻抗Ri = Ro。输入
13、阻抗Ri 越大越好，这样运算放大器从信号源吸取的电流就越小。CfRf C uo （4）开环输出阻抗的测试R1 +15V 运算放大器开环输出阻抗Ro的信Rf2 7 S测试电路如图6 所示，选取适当的号ui A741 6 RL Rf、Cf和测试频率使运算放大器工源R2Cf 3 4 作在开环状态。先不接入RL，测出- 15V 其输出电压Uo；保持 Ui 不变，然后图 6 输出阻抗测试电路（图中R1 = R2 = 51，接上 RL，再测出此时的UoL（注意保Rf = 100k，RL = 100，C = Cf = Cf = 47 F）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - -
14、- - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 8 页 - - - - - - - - - 87 持输出波形不失真），按下式求出Ro：LoLooRUUR1（4）为了减小测量误差，应取RL Ro。运算放大器的输出阻抗（开环）一般为几十至几千欧姆。4 共模抑制比的测试Rf集成运算放大器是一个双端输入、+15V 单端输出的高增益直接耦合放大器。信R12 7 因此，它对共模信号有很强的抑制能号R2 A741 6uo 力，电路参数越对称，共模抑制能力源ui3 4 越强。共模抑制比CMRR 等于运算放RP- 15V 大器的差模电压放大倍数Aud与共模。
15、电压放大倍数Auc之比。一般用dB 图 7 共模抑制比的测试电路（图中表示其单位。R1 = R2 = 100，R3 = Rf = 100k）)(lg20dBAACMRRucud（6）共模抑制比的测试电路如图7 所示。其中信号源输出频率为100Hz，电压 Ui = 2V（有效值） 的正弦波。用毫伏表测量输出电压Uo，则放大器的差模电压增益为：1RRAfud共模电压增益为：ioucUUA将 Aud和 Auc的值代入式（ 5）就可以算出共模抑制比CMRR 。5. 输出波形的瞬态特性及其测试方法Rf 当运算放大器工作在大信号和开关状+15V 态（如用作比较器）时，仅知道其频率特uiR12 7 性是不够
16、的，还必须了解电路的瞬态特性。信 A741 6 uoCH1 运算放大器的瞬态特性主要通过转移速率号3 4 示波器S和建立时间来描述。源Rp - 15V（1）转移速率SR的测试CH2 转移速率是指运算放大器在大幅度阶跃信号的作用下输出信号所能达到的最大图 8 (a) 转移速率的测试电路变化率，单位为V/ S。影响运算放大器转（图中 R1 = Rf = 10k，RP = R1 /Rf）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 8 页 - - - - - - - - -
17、88 移速率的主要因素是放大器的高频特性和ui 相位补偿电容。一般补偿电容越大转移速率越慢。对正弦信号而言，SR决定了放大0 t 器在高频时所能达到的最大不失真幅度Uomax：maxmax2 fSURouo对脉冲信号而言，SR就决定了输出波形所能达到的上升和下降时间。转移速率Uo 0 t 的测试电路如图8(a) 所示，信号源输出t10kHz 的方波，电压Ui 的峰峰值为5V。示波器观测到的输入输出波形如图8 (b) 所示。转移速率U/t 可由示波器测量，图 8 (b) 输入 /输出波形其中t 为输出电压Uo从最小值升到最大值所需要的时间。转移速率越大，说明运算放大器对输入信号的瞬时变化响应越好
18、。在测试 SR时，必须注意以下几点：a由于 SR与电路的工作状态有关。同一只运算放大器，在同相应用和反相应用时其SR将不一样；不同增益、不同补偿条件时，其SR也不一样，输出波形的上升速率和下降速率也不一样。因此，使用者应根据应用条件进行测试。生产厂家往往是以最慢的转移速率提供给用户参考。b当运算放大器接成放大状态时，其反馈电阻Rf不能取得过大，否则将会给测试结果引进误差。Uo（2）建立时间tS的测试建立时间 tS是指放大器输入一阶跃信号后，(1+) Uor从响应到最终稳定值（在规定的误差范围内）所Uor0 t (1 ) Uor需要的时间，如图9 所示。由图可见，tS是从输出波形的响应开始，到第
19、一个进入误差范围ts（1）Uor内的峰值为止的这段时间。当运算放图 9 大器用作比较器时， 往往就用 tS来衡量该运算放大器的响应速度，tS越短，该运算放大器的瞬态响应越好，工作速度也越快。建立时间 tS的测试电路如图10（a）所示。由于运算放大器工作在单位增益闭环状态，通过附加的支路，使得在A 点处（对应的电压为UA）仅剩下输入信号与输出信号之差，其波形如图10（b）所示，再将此信号放大，就可以比较精确地测出tS之值。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 8
20、页 - - - - - - - - - 89 R UAR uiR RUA+Uor+15V 27 0 t A741 6uo ts Uor 3 4 - 15V 图 10 (a) 建立时间 tS的测试电路图 10（b）A 点处的波形（R = 100 k）五实验报告要求1画出实验电路图，标明元件值。2对实验数据进行处理。3分析实验结果。附表：A741 性能参数的典型值附表A741 的性能参数电源电压UCC UEE 3V18V ，典型值15V 3V18V，15V 工作频率10kHz 输入失调电压UIO 2mV 单位增益带宽积AuoBW 1MHz 输入失调电流IIO20nA 转换速率 SR0.5V / s
21、 开环电压增益Auo106dB 共模抑制比CMRR 90dB 输入电阻 Ri 2M功率消耗50mW 输出电阻 Ro75输入电压范围13V 注意事项：1本实验采用A741 型运算放大器JWD-2 稳压电源安装电路时要弄清每个管脚的作用，注意不要接错线，电路安装后，要认真检查, 确定A B接线无误时才接通电源。，2本实验中的 15V 直流电压，由双路输出的稳压电源（JWD 2 型）提供，要按如图所示连接电源。+15V 接地-15V 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 8 页 - - - - - - - - - 90 图 11 直流稳压电源正负电压同时输出的接法名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 8 页 - - - - - - - - -