实验12 集成运算放大器的指标测试

一、实验目的

1．加深对集成运算放大器特性和参数的理解。

2．学习集成运算放大器主要性能指标的测试方法。

二、实验内容

1．测量输入失调电压VIO。

2．测量输入失调电流IIO。

3．测量输入偏置电流IIB。

4．测量开环差模电压增益Aod。

5．测量最大不失真输出电压幅度Vo(max)。

6．测量共模抑制比KCMR。

7．测量转换速率SR。

三、实验准备

1．了解集成运放μA741的管脚排列。

2．查阅有关资料，找出集成运放μA741主要性能指标的典型数据。

3．理解VIO、IIo、Aod、KCMR、Vom等指标的测试电路的工作原理，选定实验所需仪器，拟定实验步骤。

四、实验原理与说明

集成运算放大器是一种高增益的直接耦合放大电路，在理想情况下，集成运放的Aod =∞、Ri=∞、VIO=0、IIO=0、KCMR=∞。但是实际上并不存在理想的集成运算放大器。为了解实际运放与理想运放的差别，以便正确使用集成运放大器，有必要研究其实际特性，并对其主要指标进行测试。下面介绍的是运放主要指标的简易测试方法。

1．输入失调电压VIO的测量

在常温下，当输入信号为零时，集成运放的输出电压不为零，该输出电压称为输出失调电压。为了使输出电压回到零，需要在输入端加上反向补偿电压，该补偿电压称为输入失调电压VIO。VIO可能为正，也可能为负。高质量运放的VIO一般在1mV以下。VIO的大小主要反映了运放内部差分输入级中两个三极管VBE的失配程度。当运放的输入外接电阻（包括信号源内阻）比较小时，失调电压及其温漂往往是引起运放误差的主要原因。

输入失调电压的测试电路如图9.19所示。电路中R1和R3、R2和R4的参数应严格对称。测出输出电压VO1的大小（实测值可能为正，也可能为负），则输入失调电压为：

图9.19  VIO测试电路

2．输入失调电流IIO的测量

在常温下，当输入信号为零时，集成运算放大器两个输入端的输入电流之间的差值称为输入失调电流IIO，设IBP和IBN分别是运放同相输入端和反相输入端的输入电流，则输入失调电流IIO=│IBP－IBN│。集成运放的IIO一般在100nA（1nA=10-9A）以下。输入失调电流的大小反映了运放内部差分输入级中两个三极管基极静态电流的失配程度。当集成运算放大器的输入端外接电阻比较大时，输入失调电流及其温漂是造成运放误差的主要原因。

输入失调电流的测试电路如图9.20所示，电路中R1= R3，R2=R4，而且两个输入端上的电阻Rb必须精确配对才能保证测量精度。图9.20与图9.19之间的区别是两个输入端上均引入了电阻Rb，此时，输出电压VO2可以看作是由输入失调电压VIO和输入失调电流IIO共同引起的。由于Rb>>R1，因此输入电流IBN和IBP在电阻R1和R3上的压降可以忽略。测得运放的输出电压VO2，则输入失调电流为：

式中，VO1为图9.19中测得的输出电压。

图9.20  IIO测试电路

3．输入偏置电流IIB的测量

输入偏置电流是指在常温下，且输入信号为零时，集成运算放大器两个输入端输入电流的平均值，即。集成运放的IIB一般在10nA～1μA范围内。

输入偏置电流的测试电路如图9.21所示，该电路是在图9.20的基础上增加了两个开关S1和S2（在实验中可利用导线的接通与否来取代开关）。

图9.21  IIB测试电路

当S1断开、S2闭合时，若测得运放输出电压为VO3，则

当S1闭合、S2断开时，若测得运放输出电压为VO4，则

两式相减，得：

因此，输入偏置电流为：

在测量输入偏置电流IIB时，应注意：

（1）只有当集成运放的输出电压尚未达到饱和值时，测试电路所获得的各项测试结果才是正确的。

（2）在测试时，应该用示波器监视输出电压波形，若发现集成运放的输出端产生自激，则必须加补偿电容，以消除自激振荡。

4．开环差模电压放大倍数Aod的测量

集成运放的开环差模电压放大倍数Aod可以采用直流信号源进行测量，但为了测试方便，通常采用低频（如几十赫兹以下）交流信号进行测量。具体的测量方法很多，一般采用同时引入直流反馈和交流反馈的测试方法，如图9.22所示。

图9.22  Aod与Vo(max)测试电路

图9.22电路中，被测运放一方面通过Rf、R1、R2引入直流反馈，以抑制输出电压失调；另一方面，通过Rf引入交流反馈，输入回路中的电阻R1和R2同时又起到对输入交流信号进行分压衰减的作用。同相端接地电阻R3应与反相端所接电阻相匹配，以减小输入偏置电流的影响。电容C是隔直电容。被测集成运算放大器的开环差模电压增益为：

需注意的是：在测量过程中，要求被测运放始终工作在线性放大区，而且没有自激振荡现象。

5．最大不失真输出电压Vo(max)的测量

Vo(max) 的测试如图9.22所示，与Aod的测试电路相同。实验时，只需改变υs幅度，并观察υo 是否开始出现削顶失真，从而确定运放在一定电源电压下的最大不失真输出电压幅度Vo(max)。

6．共模抑制比KCMR的测量

集成运放的共模抑制比是其差模电压放大倍数Aod与共模电压放大倍数Aoc之比的绝对值，即

KCMR的测试电路如图9.23所示。由图可得共模电压放大倍数为：

图9.23  KCMR测试电路

由所测得的Aod和Aoc不难得到共模抑制比KCMR。实验时应注意：

（1）R1与R2、R3与Rf的阻值应严格配对，否则将影响测量精度。

（2）在测量Aoc时，应该适当加大共模输入信号υic的幅度，但又必须小于被测集成运放的最大共模输入电压VIc(max)。

（3）在输出端上，仍需用示波器监视电路没有产生自激振荡。

7．转换速率SR的测量

转换速率SR反映了集成运放对信号变化速度的适应能力。在大信号条件下，集成运放的输出电压随时间的最大变化率称为转换速率，即。集成运算放大器一般在每微秒零点几伏以上，高速型运放的转换速率高达每微秒上百伏。

转换速率与运放的电路结构、反馈深度及补偿网络有关，手册中给出的SR一般是在运放接成电压跟随器或反相器的情况下测得的。SR的测试电路如图9.24所示，图中被测运放构成反相器。对于最大允许共模输入电压较高的集成运放，也可接成电压跟随器。

图9.24  SR测试电路

若输入信号是前沿陡峭的大幅度方波（峰峰值≥1V），则由输出波形υO的过渡区斜率（一般取0.9～0.9），可得到被测运放的转换速率，如图9.25所示。由图可得：

若测得正向与负向的转换速率不同，则应取其中数值较小者。

图 9.25  SR测试波形

当采用正弦电压作为输入信号时，设正弦输出电压为，式中Vo(max)为集成运放的最大不失真输出电压。则转换速率为：，由此可得：。可见，集成运放的最大不失真输出电压幅度受运放工作频率的。随着频率的升高，由于转换速率一定，运放的最大不失真输出电压幅度将减小。当输入正弦波υs的频率太高时，由于受转换速率的，将出现输出电压的变化跟不上输入电压的变化，从而引起输出正弦波形严重失真，甚至使输出几乎成为三角波，而且幅度也将明显地减小，如图9.26所示。因此，通常集成运算放大器在大信号条件下的最高工作频率远低于小信号工作时的上限频率。

图9.26  因SR引起的失真

五、计算机辅助设计

1．集成运放指标的仿真分析

用计算机仿真分析软件对集成运放的性能指标进行仿真分析时，可以利用计算机的“虚拟”特性，直接根据运放指标的定义进行仿真，而不用担心损坏元器件，因此比用实际电路进行测试容易得多。

若要仿真输入失调电压VIO、输入失调电流IIO、输入偏置电流IIB时，应选择Bias Point Detail（静态工作点分析）或DC Sweep（直流工作点分析）；若要仿真开环差模电压增益Aod、最大不失真输出电压Vo(max)、共模抑制比KCMR，则应选择Transient（瞬态分析）和AC分析（交流分析）。

仿真时，集成运放选择µA741，管脚1、5、8可悬空。直流电压源选择VDC，注意管脚7接＋15V，管脚4接-15V。交流信号源选择VSIN，参数设置为：FREQ＝1～10Hz左右，VOFF＝0，VAMPL由具体实验而定， AC等于VAMPL的值。

2．实验电路的仿真分析

在PSpice中输入实验电路，进行以下仿真分析，并将仿真结果与实验实测数据进行比较。

（1）测量输入失调电压VIO、输入失调电流IIO、输入偏置电流IIB。

（2）测量开环差模电压增益Aod、最大不失真输出电压幅度Vom、共模抑制比KCMR。

六、实验报告

1．将所测得的数据与典型指标值进行比较。

2．在测试运放的开环差模电压增益时，为什么必须引入直流负反馈？

3．分析实验中遇到的现象。