线性集成运算放大器的测试方法优化

1.集成运放的测试方法

集成电路运算放大器作为通用单元电路，应用非常广泛，例如，用它实现信号的放大、变换、运算及产生，构成精确的测量电路等。运放集成块的使用很方便，用它进行电路的设计相当简单。为了使设计和分析变得容易而有效，又不会有明显误差，通常把运放视为理想运放。在线性工作状态，它的正反相两个输入端子间是虚短路，输入端子与运放内部虚开路。运用这两个原则，将会使运放电路的分析和理解变得简单容易。

实际运放并非理想运放，它有许多参数也是非理想的，在电路设计和应用时，常需要对它的实际参数进行测量。线性集成放大器的参数值范围很宽，有的量级很小，例如失调电流I_OS小于pA量级；有的量级很大，如开环电压增益高达10⁶～10⁷。要测试这些参数困难较大。本节介绍线性集成放大器测试的国家标准及常用的辅助放大器测试法。

线性集成放大器的实际测试方法有单管测试法和辅助放大器测试法两种。由于单管测试法测试各参数的电路变化太大，测试精度也较差，尤其是对高增益放大器，在单管开环状态下测试时极不稳定，因此提出了一种带有辅助放大器的闭环测试方法。这种方法不仅提高了测试精度，而且还有下列优点：

1）被测器件的直流状态能自动稳定，且易于建立测试条件。

2）环路具有较高的增益，有利于微小量的精确测量。

3）可在闭环条件下实现开环测试。

4）易于实现不同参数测试的转换，有利于实现自动测试。

因此，利用辅助放大器测试线性集成放大器是一种比较完美而成熟的方法，已为国际电工委员会（IEC）通过，作为国际上通用的测试方法。

这种方法的电路图如图11-36所示，其中A是辅助运算放大器。环路元件及辅助放大器应分别满足下列条件。

1）环路元件应满足的要求

R_OS＜＜R_F＜＜R_ID （11-2）

式中，U_OS为DUT的输入失调电压；I_OS为DUT的输入失调电流；R_OS为辅助放大器的开环输出电阻；R_ID为DUT的开环差模输入电阻。

2）辅助放大器应满足的要求：开环增益大于60dB，输入失调电流和输入偏置电流应足够小，动态范围足够大。

下面讨论集成运算放大器的几个主要参数的测试。

图11-36 辅助放大器测试法电路图

2.集成运算放大器的直流参数测试

（1）输入失调电压、偏置电流、失调电流的测量

失调（offset）电压和失调电流都是由于运放的差分输入级不对称造成的。输入失调电压U_OS是指当运放输入为0时，输出不为0，有一直流电压，而把该电压折算到输入端的电压值，是为使运放输出电压为零，必须在输入端施加的偏置（补偿）电压值，一般运放U_OS为0.5～5mV。输入失调电流I_OS是指当运放输入为0时，差分输入级两基极（偏置）电流不等之差值，即I_OS=I_b1-I_b2。一般I_OS为1～10nA。输入偏置电流I_b定义为两个输入端子的偏置电流之平均值，即I_b=（I_b1+I_b2）/2。按定义，运放的输入误差参数基本都是为使运放输出电压为零，必须在输入端施加的偏置（补偿）电压/电流值。图11-37所示电路是利用辅助运放的“虚地”，把被测运放的输出自动钳位于近似零电位。该辅助运放用结型高阻场效应晶体管作输入级，输入电阻约为10¹²Ω，故R₅、R6中电流相等；R₆被“虚地”钳位而电流近似为零，R₅电流也近似为零，U₁近似虚地。

图11-37 输入误差的测量电路

图11-38 说明测量原理的等效电路

a）测量U_OS1 b）测量I_b1 c）测量Ib2

1）为了测量输入失调电压U_OS，将图11-37中的S₁和S₂闭合，短路大电阻R₁和R₂，故可忽略失调电流的影响。这时U₂经R₄和R₃负反馈到输入端，此反馈电压可完全补偿失调电压U_OS，等效电路如图11-38a所示。所以，测出U₂后有

2）为了测量反相输入端的偏置电流I_b1，将图11-37中的S₁打开，S₂闭合，就可得如图11-38b所示的等效电路。设这时测得辅助运放的输出电压是U′₂，于是有

从而解出

3）为了测量同相输入端的偏置电流I_b2，将图11-37中的S₁闭合，S₂打开，就可得如图11-38c所示的等效电路。设这时测得辅助运放的输出电压是U″₂，于是有

从而解出

4）按定义，输入偏置电流和输入失调电流分别为

（2）共模抑制比（CMRR）的测量

理想的运算放大器输入共模信号时，输出为零，但在实际的运放中，共模信号输出不为零。输出共模信号越小，说明电路对称性越好，运放对共模干扰信号抑制能力越强。

共模抑制比（Common-Mode Rejection Ration，CMRR）的定义是：当运放工作于线性区时，运放的差模电压放大系数K_d与共模电压放大系数K_c之比。图11-39所示是利用辅助运放测量CMRR的电路。在电路的负反馈环路中，被测运放的输出电压U₁仍被辅助运放的“虚地”钳位（短路）至地，交流电压和直流电压都近似为零。实际上，U₁输出为零的情况是两个输出电压叠加、互相抵消的结果，一个是U_s经运放共模放大K_c倍后的输出电压，另一个是U₂反馈电压[U₂R₁/（R₁+R₄）]经运放差模放大K_d倍后的输出电压。

图11-39 测量共模抑制比的电路

按照此叠加原理的构想，则有

测出U_s和U₂后，共模抑制比为

其用分贝表示为

（3）开环差模电压放大倍数的测量

开环差模电压放大倍数K_d是运放在无任何反馈连接、在线性放大工作状态下，输出电压与差模输入电压之比。K_d是信号频率f的函数，随频率f升高而逐渐减小，所以一般给出的K_d值都是低频（例如50Hz）或直流时的数值。由于运放的开环差模电压放大倍数很大，一般是10⁴，测量时要保证开环运放无自激振荡，在不失真输出情况下稳定工作。图11-40利用辅助运放的测量电路能很好地满足K_d测量的要求。

图11-40 开环差模电压放大倍数K_d的测量

首先把开关S-a、S-b连接1位，使图11-40成为失调电压补偿电路。这时，R₅下端接地，U₁被“虚地”钳位为零；辅助运放的输出电压U₂₁经采样/保持电路和R₁、R₂负反馈至被测运放输入端，以补偿失调电压U_OS1。

把开关S-a放置2位，而后再把S-b放置2位。这时R₅下端连接负压-U₃，由于R₄=R₅，显然U₁=U₃。采样/保持电路的电容C储存着电压U₂₁，在S-a的1点断开之后，仍能输出U₂₁电压，继续实现失调电压的补偿。现在辅助运放的输出电压是U₂₂。U₂₂经R₂、R₃的反馈电压就是被测运放的输入（直流）测试信号。(www.xing528.com)

应当说明，这里R₁和R₂的阻值都非常大，大于R₃，可认为R₃中的电流是U₂₁经R₁电流和U₂₂经R₂电流的线性叠加；R₃上的电压是U₂₁和U₂₂单独产生的反馈电压的线性叠加。U₂₁的反馈电压平衡了失调电压U_OS1，运放输入端就只剩有U₂₂反馈的直流测试信号。于是，当S-ab放置2位时，有

从而得被测运放的开环差模电压放大倍数K_d的计算式为（U₃、U₂₂是已测知量）

3.集成运算放大器的交流参数测试

集成运放的交流参数有开环宽带BW、单位增益带宽GB、转换速率S_R、建立时间t_set、响应时间t_r、t_f等。

（1）开环带宽BW

运算放大器的开环电压增益从直流增益下降到3dB（或直流增益的0.707）所对应的信号频率称为开环带宽。开环带宽的测量原理图如图11-41所示，它与开环电压增益的测量原理图相同，此参数是在频域内进行定义和测量的。首先测出运算放大器的直流开环电压增益，然后加一幅度为U_s的交流信号，改变信号频率，当A_VD下降为原来的0.707时，此时对应的U_s信号频率即为运算放大器的开环带宽。

（2）单位增益带宽GB

它是指运算放大器在闭环增益为1倍状态下，当用正弦小信号驱动时，其闭环增益下降至原来的0.707时的频率。

当运算放大器的频率特性具有单极点响应时，其单位增益带宽可表示为

GB=A_VD·f （11-11）

式中，A_VD是当信号频率为f时运算放大器的实际差模开环电压增益值。

此参数是在频域内进行定义和测量的，测试原理图如图11-42所示，运放的闭环放大倍数为1。测量时在输入端施加一定幅度的交流信号U_i，改变U_i的频率，当放大器输出信号U_o为输入信号U_i的0.707时，输入信号U_i所对应的频率即为运算放大器的单位增益带宽。

图11-41 开环带宽的测量原理图（R₁=R₂）

图11-42 运算放大器单位增益带宽的测量原理图（R_F=R₁）

（3）转换速率S_R

转换速率又称为压摆率（slew rate），在额定的负载条件下，当输入阶跃信号时，运算放大器输出电压的最大变化率称为转换速率。此参数是在时域内进行定义和测量的。

图11-43是反相器和跟随器的转换速率测试原理图及输入、输出信号波形。从输出端测得的输出波形中，使用式（11-12）可以计算出运算放大器的转换速率，单位通常有V/ms和V/μs。

S_R=ΔU_o/Δt （11-12）

通常，产品手册中给出的转换速率均指闭环增益为1倍时的值。实际上，在转换期内，运算放大器的输入级处于开关工作状态，反馈回路不起作用，即运算放大器的转换速率与其闭环增益无关。运算放大器反相接法与同相接法的转换速率是不一样的，其输出波形的前沿及后沿的转换速率也不相同。

图11-43 转换速率测试原理图及波形图

a）反相器 b）跟随器

（4）建立时间t_set

运算放大器闭环增益为1时，在一定负载条件下当输入大的阶跃信号后，运算放大器输出电压达到某一特定值的范围时所需要的时间称为建立时间。图11-44是运算放大器建立时间测量原理图及波形，它也是采用时域测量的方法。

图11-44 建立时间测量原理图及波形

电路中，R₁=R=R_F，其中R₁、R_F与待测运算放大器构成倒相器。两个R将信号U_i与U_o在∑点相加，由于U_o=-U_i，故∑点输出信号为它们的差值。当阶跃信号输入时，由于输出波形中存在振铃，∑点输出的是U_o与U_i之间的误差信号。由此信号的起始点到其振铃衰减至规定的误差范围2ε时的时间间隔，即为建立时间。建立时间的长短与幅值的精度要求直接有关，精度要求越高，建立时间越长。

（5）响应时间t_tot、t_d、t_r、t_f、t_rip

各参数的测试原理图及波形如图11-45所示。这些参数是在时域内进行定义和测量的。

1）全响应时间t_tot：指从输入端施加规定的小信号阶跃脉冲电压至输出电压达到规定精度的数值所需的时间。

2）延迟时间t_d：指从输入端施加规定的小信号阶跃脉冲电压至输出电压达到满幅度的0.1时所需的时间。

3）上升时间t_r：指输出电压从满幅度的0.1上升到0.9时所需的时间。

图11-45 响应时间测试原理图及波形

4）下降时间t_f：指输出电压从满幅度的0.9下降到0.1时所需的时间。

5）脉动时间t_rip：指输出电压从满幅度的0.9到规定幅度比时所需的时间。

（6）等效输入噪声电压U_N

等效输入噪声电压是指输出端的噪声电压在输入端的等效值，测试原理图如图11-46所示。等效输入噪声电压有如下三种情况。

1）将开关S₁、S₂闭合，在输出端用“有效值电压表”测得输出电压U_L（BB），则宽带噪声电压（用有效值表示）为

图11-46 等效输入噪声电压测试原理图

2）将开关S₁、S₂闭合，在输出端用“峰值电压表”测得输出电压U_L（PC），则宽带噪声电压（用峰-峰值表示）为

3）将开关S₁、S₂闭合，在输出端用“选频放大器”测得输出电压均方值U_L（Δ_t），则宽带带内平均噪声电压（用方均根值表示单位为）为

式中，Δf为选频放大器的带宽。