实验二十集成运算放大器指标测试(学生用)

实验二十 集成运算放大器指标测试

一、实验目的

（l）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。

三、实验仪器及设备

（1）低频信号发生器 1台 （2）晶体管毫伏表 1台 （3）双踪示波器 1台 （4）双路稳压电源 1台 （5）数字式万用表 l块 （6）微型计算机系统 1套

二、实验原理

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Aud =∞、Ri=∞、UOS=0、IOS=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算放大器，有必要研究其实际特性，并对其主要指标进行测试。集成运放组件的各项指标通常是由专用仪器进行测试的，下面介绍的是运放主要指标的简易测试方法。

本实验采用的集成运放为双列直插式组件μA741（或LM741），引脚排列如图20－1示，②脚和③脚为反相和同相输入端，⑥脚为输出端，⑦脚和④脚为正、负电源端，①脚和⑤脚为失调调零端，①⑤脚之间可接入几十KΩ的电位器，滑动触头接到负电源端，⑧脚为空脚。

图20－1 μA741管脚图 图20－2 U0S、I0S、IIB测试电路

1．集成运放主要指标测试

（1） 输入失调电压U0S

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。

失调电压测试电路如图20－2所示。闭合开关K1及K2，使电阻RB短接，测量此时的输出电压U01 即为输出失调电压，则输入失调电压

UOS

R1

UO1

R1 RF

（2）输入失调电流I0S

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I0S，设IB1和IB2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I0S=│IB1－IB2│。

输入失调电流的测试电路如图20－2所示，电路中R1= R2，R3=RF，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。测量方法是：

① 闭合开关K1及K2，在低输入电阻下，测出输出电压U01，如前所述，这是由输入失调电压U0S所引起的输出电压。

② 断开K1及K2，两个输入电阻RB接入，此时，输出电压U02可以看作是由输入失调电压U0S和输入失调电流I0S共同引起的。则输入失调电流I0S为

IOS IB1 IB2 O2 U01

R11

R1 RFRB

（3）输入偏置电流IIB

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IIB

1

(IB1 IB2)。集成运放的IIB一般在10nA～1μA范围内。 2

输入偏置电流的测试电路如图20-2所示。(电路中的两个开关K1和K2在实验中可利用导线的接通与否来取代开关)

当K1断开、K2闭合时，若测得运放输出电压为UO3，则

UO3 (1

RF

)(UOS IB1RB) R1

当K1闭合、K2断开时，若测得运放输出电压为UO4，则

UO4 (1

两式相减，得：

RF

)(UOS IB2RB) R1

RF

) R1

UO3 UO4 RB(IB1 IB2)(1

因此，输入偏置电流为：

IIB

R1111

(IB1 IB2) (UO3 UO4)

22R1 RFRB

（4）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开环差模电压放大倍数，用Aud 表示。Aud的测试方法很多，一般采用同时引入直流反馈和交流反馈的测试方法，如图20－3所示。

图20－3 Aud测试电路

被测运放的开环电压放大倍数为

Aud

U0RU

(1 1)0 UidR2Ui

（5）共模抑制比KCMR

集成运放的差模电压放大倍数Ad与共模电压放大倍数AC之比称为共模抑制比

KCMR

AdA

或 KCMR 20lgd(dB) ACAC

KCMR的测试电路如图20－4所示。

图20－4 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

Ad

RF

R1

当接入共模输入信号Uic时，测得U0C，则共模电压放大倍数为

AC

U0C

UiC

得共模抑制比

KCMR

AdRU FiC ACR1U0C

（6）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”现象以及永久性的损坏。 Uicm的测试电路如图20-5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。

图20－5 Uicm测试电路 图20－6 UOmax测试电路

（7）输出电压最大动态范围Umax

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20－6所示。改变uS幅度，观察u0削顶失真开始时刻，从而确定u0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最大值Uomax。

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值，切忌正、负电源接反。 1. 测量输入失调电压U0S

按图20－2连接实验电路。闭合开关K1、K2，用直流电压表测量输出端电压U01 ，并计算U0S ，记入表20－2。 2. 测量输入失调电流I0S

实验电路如图20－2。断开开关 K1、K2，测量 U02，并计算I0S ，记入表20－1。 3. 测量输入偏置电流IIB

实验电路如图20－2。K1断开、K2闭合，测量 U03；K1闭合、K2断开，测量 U04，并计算IIB ，记入表20－2。

4. 测量开环差模电压放大倍数Aud

按图20－3连接实验电路，运放输入端加f=50Hz，Us＝50mV正弦信号，用示波器监视输出波形。用交流毫伏表测量U0和Ui，并计算Aud 。记入表20－2。 5. 测量共模抑制比KCMR

按图20－4连接实验电路，运放输入端加f=50Hz，UiC＝1V正弦信号，监视输出波形。测量U0C 和UiC，计算KCMR，记入表20－2。

6. 测量共模输入电压范围Uicm

按图20－5连接实验电路，运放输入端加uS（f=50Hz）正弦信号，用示波器监视输出波形。改变uS的幅度，当输出u0出现削顶失真的临界点，对应的uS值即为Uicm。记入表20－2。

7. 测量输出电压最大动态范围Uomax

按图20－6连接实验电路，运放输入端加uS（f=50Hz）正弦信号，用示波器监视输出波形。改变uS的幅度，当输出u0出现削顶失真的临界点，对应的uo值即为Uomax。记入表20－2。

表20－2

五、思考题

1. 查阅μA741典型指标数据及管脚功能。

2. 测量输入失调参数时，为何要精选运放反相及同相输入端的电阻，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，而在进行其它测试时，则要求对输出电压进行调零。

4. 测试信号的频率选取的原则是什么？