運(yùn)算放大器技術(shù)指標(biāo)

運(yùn)算放大器的靜態(tài)技術(shù)指標(biāo)

1.輸入失調(diào)電壓VIO(input offset voltage) ：輸入電壓為零時(shí)，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。VIO是表征運(yùn)放內(nèi)部電路對(duì)稱性的指標(biāo)。

2.輸入失調(diào)電流IIO(input offset current)：在零輸入時(shí)，差分輸入級(jí)的差分對(duì)管基極電流之差，用于表征差分級(jí)輸入電流不對(duì)稱的程度。

3.輸入偏置電流IB(input bias current)：運(yùn)放兩個(gè)輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對(duì)管輸入電流的大小。

4.輸入失調(diào)電壓溫漂：在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。

5.輸入失調(diào)電流溫漂：在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。

6.最大差模輸入電壓 (maximum differential mode input voltage)：運(yùn)放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過(guò)此電壓時(shí),差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。

7.最大共模輸入電壓(maximum common mode input voltage)：在保證運(yùn)放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過(guò)此值時(shí)，輸入差分對(duì)管出現(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。

運(yùn)算放大器的動(dòng)態(tài)技術(shù)指標(biāo)

1.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)(open loop voltage gain) ：運(yùn)放在無(wú)外加反饋條件下，輸出電壓與輸入電壓的變化量之比。

2.差模輸入電阻(input resistance) ：輸入差模信號(hào)時(shí)，運(yùn)放的輸入電阻。

3.共模抑制比(common mode rejection ratio) ：與差分放大電路中的定義相同，是差模電壓增益 與共模電壓增益 之比，常用分貝數(shù)來(lái)表示。 KCMR=20lg(Avd / Avc ) (dB)

4.-3dB帶寬(—3dB band width) ：運(yùn)算放大器的差模電壓放大倍數(shù) 在高頻段下降3dB所定義的帶寬 。

5.單位增益帶寬(BW?G)(unit gain band width)： 下降到1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率，定義為單位增益帶寬 。

6.轉(zhuǎn)換速率(壓擺率)(slew rate)：反映運(yùn)放對(duì)于快速變化的輸入信號(hào)的響應(yīng)能力。

7.等效輸入噪聲電壓Vn(equivalent input noise voltage)：輸入端短路時(shí)，輸出端的噪聲電壓折算到輸入端的數(shù)值。這一數(shù)值往往與一定的頻帶相對(duì)應(yīng)。

集成運(yùn)算放大器指標(biāo)測(cè)試

集成運(yùn)算放大器是一種線性集成電路，和其它半導(dǎo)體器件一樣，它是用一些性能指標(biāo)來(lái)衡量其質(zhì)量的優(yōu)劣。為了正確使用集成運(yùn)放，就必須了解它的主要參數(shù)指標(biāo)。集成運(yùn)放組件的各項(xiàng)指標(biāo)通常是由專用儀器進(jìn)行測(cè)試的，這里介紹的是一種簡(jiǎn)易測(cè)試方法。

本實(shí)驗(yàn)采用的集成運(yùn)放型號(hào)為μA741(或F007)，引腳排列如圖7-1所示，它是八腳雙列直插式組件，②腳和③腳為反相和同相輸入端，⑥腳為輸出端，⑦腳和④腳為正、負(fù)電源端，①腳和⑤腳為失調(diào)調(diào)零端，①⑤腳之間可接入一只幾十KΩ的電位器并將滑動(dòng)觸頭接到負(fù)電源端。 ⑧腳為空腳。

1、 μA741主要指標(biāo)測(cè)試

圖7-1 μA741管腳圖 圖7-2 U0S、I0S測(cè)試電路

1)輸入失調(diào)電壓U0S

理想運(yùn)放組件，當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，其輸出也為零。但是即使是最優(yōu)質(zhì)的集成組件，由于運(yùn)放內(nèi)部差動(dòng)輸入級(jí)參數(shù)的不完全對(duì)稱，輸出電壓往往不為零。這種零輸入時(shí)輸出不為零的現(xiàn)象稱為集成運(yùn)放的失調(diào)。

輸入失調(diào)電壓U0S 是指輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出端出現(xiàn)的電壓折算到同相輸入端的數(shù)值。

失調(diào)電壓測(cè)試電路如圖7-2所示。閉合開關(guān)K1及K2，使電阻RB短接，測(cè)量此時(shí)的輸出電壓U01 即為輸出失調(diào)電壓，則輸入失調(diào)電壓

實(shí)際測(cè)出的U01可能為正，也可能為負(fù)，一般在1～5mV，對(duì)于高質(zhì)量的運(yùn)放U0S在1mV以下。

測(cè)試中應(yīng)注意：a、將運(yùn)放調(diào)零端開路。

b、要求電阻R1和R2，R3和RF的參數(shù)嚴(yán)格對(duì)稱。

2)輸入失調(diào)電流I0S

輸入失調(diào)電流I0S 是指當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，運(yùn)放的兩個(gè)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(yùn)放內(nèi)部差動(dòng)輸入級(jí)兩個(gè)晶體管β的失配度，由于IB1 ，IB2 本身的數(shù)值已很小(微安級(jí))，因此它們的差值通常不是直接測(cè)量的，測(cè)試電路如圖7-2所示，測(cè)試分兩步進(jìn)行

a、 閉合開關(guān)K1及K2，在低輸入電阻下，測(cè)出輸出電壓U01 ， 如前所述，這是由輸入失調(diào)電壓U0S 所引起的輸出電壓。

b、斷開K1及K2，兩個(gè)輸入電阻RB接入，由于RB 阻值較大，流經(jīng)它們的輸入電流的差異，將變成輸入電壓的差異，因此，也會(huì)影響輸出電壓的大小，可見(jiàn)測(cè)出兩個(gè)電阻RB接入時(shí)的輸出電壓U02 ，若從中扣除輸入失調(diào)電壓U0S 的影響，則輸入失調(diào)電流I0S 為

一般,I0S 約為幾十～幾百nA(10-9A)，高質(zhì)量運(yùn)放IOS低于1nA。

測(cè)試中應(yīng)注意: a、將運(yùn)放調(diào)零端開路。

b、兩輸入端電阻RB必須精確配對(duì)。

3)開環(huán)差模放大倍數(shù)Aud

集成運(yùn)放在沒(méi)有外部反饋時(shí)的直流差模放大倍數(shù)稱為開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)，用Aud 表示。它定義為開環(huán)輸出電壓U0與兩個(gè)差分輸入端之間所加信號(hào)電壓Uid 之比。

按定義Aud 應(yīng)是信號(hào)頻率為零時(shí)的直流放大倍數(shù)，但為了測(cè)試方便，通常采用低頻(幾十赫芝以下)正弦交流信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。由于集成運(yùn)放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)很高，難以直接進(jìn)行測(cè)量，故一般采用閉環(huán)測(cè)量方法。 Aud的測(cè)試方法很多，現(xiàn)采用交、直流同時(shí)閉環(huán)的測(cè)試方法，如圖7-3所示。

圖7-3 Aud測(cè)試電路

被測(cè)運(yùn)放一方面通過(guò)RF、R1、R2完成直流閉環(huán)，以抑制輸出電壓漂移，另一方面通過(guò)RF和RS實(shí)現(xiàn)交流閉環(huán)，外加信號(hào)uS經(jīng)R1、R2分壓，使uid 足夠小，以保證運(yùn)放工作在線性區(qū)，同相輸入端電阻R3應(yīng)與反相輸入端電阻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(cè)運(yùn)放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)為

通常低增益運(yùn)放Aud約為60～70db，中增益運(yùn)放約為80db，高增益在100db以上，可達(dá)120～140db。

測(cè)試中應(yīng)注意：a、測(cè)試前電路應(yīng)首先消振及調(diào)零。

b、被測(cè)運(yùn)放要工作在線性區(qū)。

c、輸入信號(hào)頻率應(yīng)較低，一般用50～100HZ ，輸出信號(hào)幅度應(yīng)較小，且無(wú)明顯失真。

4)共模抑制比CMRR

集成運(yùn)放的差模電壓放大倍數(shù)Ad與共模電壓放大倍數(shù)AC之比稱為共模抑制比

共模抑制比在應(yīng)用中是一個(gè)很重要的參數(shù)，理想運(yùn)放對(duì)輸入的共模信號(hào)其輸出為零，但在實(shí)際的集成運(yùn)放中，其輸出不可能沒(méi)有共模信號(hào)的成分，輸出端共模信號(hào)愈小，說(shuō)明電路對(duì)稱性愈好，也就是說(shuō)運(yùn)放對(duì)共模干擾信號(hào)的抑制能力愈強(qiáng)，即CMRR愈大。CMRR的測(cè)試電路如圖7-4所示。

集成運(yùn)放工作在閉環(huán)狀態(tài)下的差模電壓放大倍數(shù)為

當(dāng)接入共模輸入信號(hào)Uic時(shí)，測(cè)得U0C，則共模電壓放大倍數(shù)為

得共模抑制比

圖7-4 CMRR測(cè)試電路

測(cè)試中應(yīng)注意：a、消振與調(diào)零

b、R1與R2、R3與RF之間阻值嚴(yán)格對(duì)稱

c、輸入信號(hào)Uic 幅度必須小于集成運(yùn)放的最大共模輸入電壓范圍 Uicm

5) 共模輸入電壓范圍Uicm

集成運(yùn)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(gè)范圍，運(yùn)放的CMRR會(huì)大大下降，輸出波形產(chǎn)生失真，有些運(yùn)放還會(huì)出現(xiàn)“自鎖”現(xiàn)象以及永久性的損壞。

Uicm的測(cè)試電路如圖7-5所示。

被測(cè)運(yùn)放接成電壓跟隨器形式，輸出端接示波器，觀察最大不失真輸出波形，從而確定Uicm值。

6) 輸出電壓最大動(dòng)態(tài)范圍UOPP

集成運(yùn)放的動(dòng)態(tài)范圍與電源電壓、外接負(fù)載及信號(hào)源頻率有關(guān)。測(cè)試電路如圖7-6所示。

改變uS幅度，觀察u0削頂失真開始時(shí)刻，從而確定u0的不失真范圍，這就是運(yùn)放在某一定電源電壓下可能輸出的電壓峰峰值UOPP。

圖7-5 Uicm測(cè)試電路 圖7-6 UOPP測(cè)試電路

2、集成運(yùn)放在使用時(shí)應(yīng)考慮的一些問(wèn)題

1) 輸入信號(hào)選用交、直流量均可， 但在選取信號(hào)的頻率和幅度時(shí)，應(yīng)考慮運(yùn)放的頻響特性和輸出幅度的限制。

2) 調(diào)零。為提高運(yùn)算精度，在運(yùn)算前， 應(yīng)首先對(duì)直流輸出電位進(jìn)行調(diào)零，即保證輸入為零時(shí)，輸出也為零。當(dāng)運(yùn)放有外接調(diào)零端子時(shí)，可按組件要求接入調(diào)零電位器RW，調(diào)零時(shí)，將輸入端接地，調(diào)零端接入電位器RW，用直流電壓表測(cè)量輸出電壓U0，細(xì)心調(diào)節(jié)RW，使U0為零(即失調(diào)電壓為零)。如運(yùn)放沒(méi)有調(diào)零端子，若要調(diào)零，可按圖7-7所示電路進(jìn)行調(diào)零。

一個(gè)運(yùn)放如不能調(diào)零，大致有如下原因：① 組件正常，接線有錯(cuò)誤。② 組件正常，但負(fù)反饋不夠強(qiáng)(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太低，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(fù)正常，則屬于這種情況。④組件正常，但電路有自激現(xiàn)象，應(yīng)進(jìn)行消振。⑤組件內(nèi)部損壞，應(yīng)更換好的集成塊。

(a) (b)

圖7-7 調(diào)零電路

3) 消振。一個(gè)集成運(yùn)放自激時(shí)，表現(xiàn)為即使輸入信號(hào)為零， 亦會(huì)有輸出，使各種運(yùn)算功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞器件。在實(shí)驗(yàn)中，可用示波器監(jiān)視輸出波形。為消除運(yùn)放的自激，常采用如下措施

①若運(yùn)放有相位補(bǔ)償端子，可利用外接RC補(bǔ)償電路，產(chǎn)品手冊(cè)中有補(bǔ)償電路及元件參數(shù)提供。②電路布線、元、器件布局應(yīng)盡量減少分布電容。③在正、負(fù)電源進(jìn)線與地之間接上幾十μF的電解電容和0.01～0.1μF 的陶瓷電容相并聯(lián)以減小電源引線的影響。

什么是 PSRR

PSRR，就是 Power Supply Rejection Ratio 的縮寫，中文含意為“電源抑制比”。也就是說(shuō), PSRR 表示把輸入與電源視為兩個(gè)獨(dú)立的信號(hào)源時(shí)，所得到的兩個(gè)電壓增益的比值?；居?jì)算公式為：

PSRR 的單位為分貝(dB)，采用對(duì)數(shù)比值，此處V1是輸入電壓的改變，而V2是輸出電壓的改變。

從上面的式子可以看出，影響輸出信號(hào)的因素除了電路本身之外，還受到了供電電源的影響。PSRR 是一個(gè)用來(lái)描述輸出信號(hào)受電源影響的量，PSRR 越大，輸出信號(hào)受到電源的影響越小。 這個(gè)等式的計(jì)算結(jié)果一般是零。如果看到有電源供應(yīng)商標(biāo)明PSRR是正值，不要驚訝，這只是因?yàn)樗麄兪褂玫氖荲2與V1而不是V1與V2的比值。只要取PSRR的絕對(duì)值，就能避免一切迷惑了。設(shè)計(jì)者們都希望PSRR的絕對(duì)值越高越好，因?yàn)镻SRR絕對(duì)值越高就意味著輸出上的噪音/波紋越低。比如，80 dB 的PSRR絕對(duì)值(輸出紋波比輸入波紋小1萬(wàn)倍)就比20dB的絕對(duì)值(輸出波紋比輸入波紋小10倍)要好。

還可得出，輸出電壓 Vout 是 Vin 與電源電壓 VCC 的函數(shù)。如果輸入信號(hào) Vin 變化了 ⊿Vin，輸出信號(hào)的變化量 ⊿Vout 是由輸入到輸出的電壓增益 Av 乘以輸入電壓的變化量 ⊿Vin。如果把電源電壓變化 ⊿VCC 看作一個(gè)很小信號(hào)，由于電源電壓變化導(dǎo)致的輸出電壓的變化量 ⊿Vout 則為電源電壓到輸出的電壓增益 Avo 乘以電源電壓變化量 ⊿VCC。

不穩(wěn)定的供電電壓勢(shì)必會(huì)影響輸出信號(hào)的波形，影響的幅度取決于 PSRR。所以需要側(cè)重于運(yùn)放等的去耦設(shè)計(jì)和電源的設(shè)計(jì)(通常較多用 LDO 線性電源給運(yùn)放供電)。PSRR 是在單位閉環(huán)增益情況下得到的，因此在負(fù)反饋應(yīng)用中引起的輸出變化需乘以閉環(huán)增益。

一般地，PSRR 有 3個(gè)具體參數(shù)：+PSRR，-PSRR，+/-PSRR。表示從某個(gè)電源端或兩個(gè)電源端分別或同時(shí)異向低頻變化，在運(yùn)放差分輸入端引入的傳輸或影響量值。如上所分析的：⊿Vps=1V 的電源變化，在 PRSS="80dB" 運(yùn)放輸入端，導(dǎo)致 ⊿Vdi=100uV 的變化(PSRR=20log⊿Vps/⊿Vdi)。于是運(yùn)放輸出電壓產(chǎn)生的變化：⊿Vo=⊿Vdi(1+Rf/Ri);Rf--反饋電阻，Ri--輸入電阻。

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