如何测试集成运算放大器的指标？

一、实验目的

① 掌握运算放大器主要指标的测试方式。

② 通过对运算放大器μA741指标的测试，了解集成运算放大器组件的主要参数的定义和表示方法。

二、实验原理

集成运算放大器是一种线性集成电路。和其他半导体器件一样，它是用一些性能指标来衡量其质量的优劣。为了正确使用集成运放，就必须了解它的主要参数指标。集成运放组件的各项指标通常是用专用仪器进行测试的，这里介绍的是一种简易测试方法。

本实验采用的集成运放型号为 μA741（或 F007），引脚排列如图1.13.1所示。它是八脚双列直插式组件：2脚和3脚分别为反相和同相输入端，6脚为输出端，7脚和4脚分别为正、负电源端，1脚和5脚分别为失调调零端，1，5脚之间可接入一只几十千欧姆的电位器并将滑动触头接到负电源端，8脚为空脚。

图1.13.1 μA741管脚图

1．输入失调电压Uos

理想运放组件，当输入信号为零时，其输出也为零。但是即使是最优质的集成组件，由于运放内部差动输入级参数的不完全对称，输出电压往往不为零。这种零输入时输出不为零的现象称为集成运放的失调。

图1.13.2 Uos，Ios测试电烙

输入失调电压Uos是指输入信号为零时，输出端出现的电压折算到同相输入端的数值。

失调电压测试电路如图1.13.2所示。闭合开关S1及S2，使电阻RB短接，测得此时的输出电压Uo1，即为输出失调电压，则输入失调电压为

实际测出的Uo1可能为正，也可能为负。高质量的运放Uos一般在1 mV以下。

测试过程中应注意：

① 将运放调零端开路。

② 要求电阻R1和R2，R3和RF的参数严格对称。

2．输入失调电流Ios

输入失调电流Ios是指当输入信号为零时，运放的两个输入端的基极偏置电流之差，即

输入失调电流的大小反映了运放内部差动输入级两个晶体管β的失配度。由于IB1，IB2本身的数值已很小（微安级），因此它们的差值通常不是直接测量的，测试电路如图1.13.2所示，测试分两步进行。

① 闭合开关S1及S2，在低输入电阻下，测出输出电压Uo1。如前所述，这是由输入失调电压Uos所引起的输出电压。

② 断开S1及S2，接入两个输入电阻RB。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，可见测出接入两个电阻RB时的输出电压Uo2，若从中扣除输入失调电压Uos的影响，则输入失调电流Ios为

一般，Ios在100 nA以下。

测试中应注意：

① 将运放调零端断开。

② 两输入端电阻RB必须精确配对。

3．开环差模放大倍数Aud

集成运放在没有外部反馈时的直流差模放大倍数称为差模电压放大倍数，用Aud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信号电压uid之比，即

按定义Aud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，难以直接进行测量，故一般采用闭环测量方法。Aud的测试方法很多，现采用交、直流同时闭环的测试方法，如图1.13.3所示。

图1.13.3 Aud测试电路

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u S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的影响。电容C为隔直电容。被测运放的开环电压放大倍数为

通常低增益运放Aud为60～70 dB，中增益运放约为80 dB，高增益运放约为100 dB，有的高达120～140 dB。

测试过程中应注意：

① 测试前电路应首先消振及调零。

② 被测运放应工作在线性区。

③ 输入信号频率应较低，一般用50～100 Hz，输出信号幅度应较小，且无明显失真。

4．共模抑制比KCMR

集成运放的差模电压放大倍数Aud与共模电压放大倍数Auc之比称为共模抑制比，用KCMR表示。

共模抑制比在应用中是一个很重要的参数。理想运放在输入共模信号时其输出为零，但在实际的集成运放中，其输出不可能没有共模信号的成分。输出端共模信号越小，说明电路对称性越好，也就是说运放对共模干扰信号的抑制能力越强，即KCMR越大。KCMR的测试电路如图1.13.4所示。

图1.13.4 KCMR测试电路

集成运放工作在闭环状态下的差模电压放大倍数为

当接入共模输入信号uic时，测得uoc，则共模电压放大倍数为

共模抑制比为：

测试过程中应注意：

① 测试前电路应首先消振与调零。

② R1与R2，R3与Rf阻值严格对称。

③ 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。(https://www.xing528.com)

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”现象甚至永久性的损坏。

图1.13.5 uicm测试电路

图1.13.6 uopp测试电路

uicm测试电路如图1.13.5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．输出电压最大动态范围uopp

集成运放的动态范围与电源电压、外接负载及信号源频率有关。测试电路如图1.13.6所示。

改变us幅度，观察uo削顶失真开始时刻，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。

集成运放在使用时应考虑的一些问题：

① 输入信号选用交、直流量均可，但在选取信号的频率和幅度时，应考虑运放的频响特性和输出幅度的限制。

② 调零。为提高运算精度，在运算前，应首先对直流输出电压进行调零，即保证输入为零时，输出也为零。当运放有外接调零端子时，可按组件要求接入调零电位器RP。调零时，将输入端接地，调零端接入电位器RP，用直流电压表测量输出电压Uo，细心调节RP，使Uo为零（即失调电压为零）。如运放没有调零端子，或要调零，可按图1.13.7所示电路进行调零。

图1.13.7 调零电路

一个运放如不能调零，大致有如下原因：

·组件正常，接线有错误。

·组件正常，但负反馈不够强（Rf/R1太大），为此可将Rf短路，观察是否能调零。

·组件正常，但由于它所允许的共模输入电压太低，可能出现自锁现象，因而不能调零。为此可将电源断开后，再重新接通，如能恢复正常，则属于这种情况。

·组件正常，但电路有自激现象，应进行消振。

·组件内部损坏，应更换好的集成块。

③ 消振。一个集成运放自激时，表现为即使输入信号为零，也会有输出，使各种运算功能无法实现，严重时还会损坏器件。在实验中，可用示波器监视输出波形。为消除运放的自激，常采用如下措施：

·若运放有相位补偿端子，可外接RC补偿电路。产品手册中有补偿电路及元件参数。

·电路布线、元、器件布局应尽量减少分布电容。

·在正、负电源进线与地之间接上几微法的电解电容和0.01～0.1μF的陶瓷电容相并联，以减小电源引线的影响。

三、实验设备与器件

±12 V直流电源；函数信号发生器；双踪示波器；交流毫伏表；直流电压表；集成运算放大器μA741×1，电阻、电容若干。

四、实验内容

实验前看清运放管脚排列及电源电压极性及数据值，切忌正、负电源接反。

（1）测量输入失调电压uos

按图1.13.2连接实验电路，闭合开关S1，S2，用直流电压表测量输出端电压Uo1，并计算Uos，记入表1.13.1中。

（2）测量输入失调电流Ios

实验电路如图1.13.2所示，打开S1，S2，用直流电压表测量Io2，并计算Ios，记入表1.13.1中。

表1.13.1 输入失调电压、失调电流的测试

（3）测量闭环差模电压放大倍数Aud

按图1.13.3连接实验电路，运放输入端加频率为100 Hz、大小为30～50 mV的正弦信号，用示波器监视输出波形。用交流毫伏表测量uo和ui，并计算Aud，记入表1.13.1中。

（4）测量共模抑制比KCMR

按图1.13.4连接窦验电路，运放输入端加f=100 Hz，uic=1～2V正弦信号，监视输出波形。测量uoc和uic，计算Auc及KCMR，并记入表1.13.1中。

（5）测量共模输入电压范围uicm及输出电压最大动态范围Uopp

自拟实验步骤及方法。

五、预习要求

① 测试信号的频率选取的原则是什么？

② 测量输入失调参数时，为什么运放反相及同相输入端的电阻要精选，以保证严格对称？

③ 测量输入失调参数时，为什么要将运放调零端开路，而在进行其他测试时，则要求对输出电压进行调零？

④ 查阅μA741典型指标数据及管脚功能，并与实测数据比较。

六、实验报告要求

① 将所测得的数据与典型值进行比较。

② 对实验结果及实验中碰到的问题进行分析、讨论。