运放参数测试

实验七集成运算放大器参数的测试
一．实验目的
1．了解集成运算放大器的主要参数。

2．通过实验，掌握集成运算放大器主要参数的测试方法。

二．预习要求
1．复习集成运算放大器的技术指标，主要参数的定义及测试方法。

2．了解用示波器观察运算放大器传输特性的方法。

3．了解输入失调电压U IO和输入失调电流I IO产生的原因。

三．实验设备
名称型号或规格数量
示波器日立V—252 1
直流稳压电源JWD—2 1
函数信号发生器GFG－8020G（或8016G） 1
晶体管毫伏表DA—16 1
万用表YX—960TR或其它型号 1
四．实验内容及测试方法
反映集成运算放大器特性的参数主要有以下四大类：输入失调特性、开环特性、共模特性及输出瞬态特性。

1．集成运算放大器的传输特性及输出电压的动态范围的测试
运算放大器输出电压的动态范围是指在不失真条件下所能达到的最大幅度。

为了测试方便，在一般情况下就用其输出电压的最大摆幅U op-p 当作运算放大器的最大动态范围。

输出电压动态范围的测试电路如图1(a）所示。

图中u i为100Hz正弦信号。

当接入负载R L后，逐渐加大输入信号u i的幅值，直至示波器上显示的输出电压波形为最大不失真波形为止，此时的输出电压的峰峰值U op-p就是运算放大器的最大摆幅。

若将u i输入到示波器的X轴，u o输入到示波器的Y轴，就可以利用示波器的X—Y显示，观察到运算放大器的
传输特性，如图1 (b) 所示，并可测出U o p-p的大小。

R 1R f u o
+15V
27U OP-P
R2 µA741 6 u o0 u i u i34
-15V
（a）运算放大器输出电压动态范围的测试电路（b）运算放大器的传输特性曲线
图1（图中：R1 = R2 = 1.2kΩ，R f= 20kΩ）
U op-p与负载电阻R L有关，对于不同的R L，U op-p也不同。

根据表1，改变负载电阻R L 的阻值，记下不同R L时的U op-p，并根据R L和U op-p，求出运算放大器输出电流的最大摆幅I op-p = U op-p /R L，填入表1中。

表1
R L U op-p I op-p= U op-p / R L
R L = ∞
R L = 1 kΩ
R L = 100Ω
运算放大器的U op-p除了与负载电阻R L有关外，还与电源电压以及输入信号的频率有关。

随着电源电压的降低和信号频率的升高，U op-p将降低。

如果示波器显示出运算放大器的传输特性，即表明该放大器是好的，可以进一步测试运算放大器的其它几项参数。

2．集成运算放大器的输入失调特性及其测试方法
集成运算放大器的基本电路是差分放大器。

由于电路的不对称性必将产生输入误差信号。

这个误差信号限制了运算放大器所能放大的最小信号，即限制了运算放大器的灵敏度。

这种由于直流偏置不对称所引起的误差信号可以用输入失调电压U IO、输入偏置电流I B、输入失调电流I IO及它们的温度漂移来描述。

（1）输入失调电压U IO的测试
一个理想的运算放大器，当两输入端加上相同的直流电压或直接接地时，其输出端的直流电压应等于零。

但由于电路参数的不对称性，输出电压并不为零，这种现象称为运算放大器的零点偏离或失调，为了使放大器的输出端电压回到零，必须在放大器的输入端加上一个电压来补偿这种失调。

所加电压的大小称为该运算放大器的失调电压，用U IO表示。

显然U IO越小，说明运算放大器参数的对称性越好。

分析表明，运算放大器的U IO主要取决于输
入级差分对管U be 的对称性，U IO 一般 R 1 R f
为0.5 ~ 5mV 。

+15V
失调电压的测试电路如图2所示。

用 2 7
万用表（最好是数字万用表）测出其输出 R 1 µA741 6 U o 电压U o ，则输入失调电压U IO 可由下式计 3 4
算： R f -15V
o f
IO U R R R U ⋅+=11 （1） 图2 输入失调电压测试电路 （2）输入失调电流的测试 (图中：R 1=100Ω，R f = 100k Ω )
输入端偏置电流I B 是指输出端为零电平时，两输入端基极电流的平均值，即：
I B =（I B++I B -）∕2
式中I B+ 为同相输入端基极电流，I B - 为反相输入端基极电流。

当电路参数对称时，I B+ = I B - 。

但实际电路中参数总有些不对称，其差值称为运算放大器的输入失调电流，用I IO 表示：
I IO = I B+ - I B -
显然，I IO 的存在将使输出端零点偏离，信号源阻抗越高，失调电流的影响越严重。

输入失调电流主要是由于构成差动输入级的两个三极管的β值不一致引起的。

I IO 一般为1nA ~ 10μA ，其值越小越好。

失调电流的测试电路与图2相同。

用万用表分别测量同相端3对地的电压U 3及反相端2对地的电压U 2 ，则输入失调电流I IO 可由下式计算：
2
2R U R U I I I S S B B IO -=-=-+ （2） 输入失调电压U IO 和输入失调电流I IO 称为运算放大器的静态性能参数。

3． 运算放大器的开环特性及其测试方法
反映运算放大器开环特性的参数主 R f
要有：开环电压增益A uo 、输入阻抗R i 、 R 3 C R 1 +15V 输出阻抗R o 及增益带宽积。

信 u i u 'i 2 7
（1）开环电压增益A uo 的测试 号 R 2 µA741 6 u o
开环电压增益A uo 是指运算放大器 源 3 4
没有反馈时的差模电压增益，即运算放 R P -15V 大器的输出电压U o 与差模输入电压U i
之比值。

开环电压增益通常很高，因此 图3 开环电压增益的测量电路
只有在输入电压很小（几百微伏）时，才能保证输出波形不失真。

但在小信号输入条件下测
试时，易引入各种干扰，所以采用闭环测量方法较好。

测试开环电压增益A uo 的电路如图3所示（图中R 1 = R f = 51k Ω，R 2 = R P = 51Ω，R 3 = 1k Ω，
C = 47µF ）。

选择电阻（R 1 + R 2）>>R 3，则开环电压增益A uo 为：
2
21'R R R U U U U A i o i o
uo +⋅== （3） 用毫伏表分别测量U o 及U i ，由上式算出开环电压增益A uo 。

测量时，交流信号源的输出频率应小于100Hz ，并用示波器监视输出波形，若有自激振荡，应进行相位补偿、消除振荡后才能进行测量。

u i 的幅度不能太大，一般取几十毫伏。

（2） 增益带宽积的测试 R f
运算放大器可以工作在零频率 +15V
（即直流），因此它在截止频率f c u i R 1 2 7
处的电压增益比直流时的电压增益 信 µA741 6 u o CH1 低3dB ，故运算放大器的带宽BW 号 3 4 示波器 就等于截止频率f c 。

增益越高， 源 R P -15V
带宽越窄，增益带宽积A uo ·BW CH2 =常数，当电压放大倍数等于1时，
对应的带宽称为单位增益带宽。

图4 增益带宽积测量电路
增益带宽积的测试电路如图4所示：其中信号源用来输出U i = 100mV 的正弦波，示波器用来观测放大器的输入与输出波形。

首先取表2中第一组阻值R f = R 1 = 10k Ω，测量放大器的单位增益带宽。

当信号源的输出频率由低逐渐增高时，电压增益A uo = U o / U i = 1应保持不变。

继续增高频率直到A ´uo = 0.707 A uo 时所对应的频率就是运算放大器电压放大倍数等于1时的带宽，即单位增益带宽。

再取表中第二、第三组数据，分别测出不同电压增益A uo 时的带宽BW ，通过计算求出增益带宽积A uo ·BW 。

实验结果表明：增益增加时，带宽减小，但增益带宽积不变（可能存在测量误差）。

因此运算放大器在给定电压增益下，其最高工作频率受到增益带宽积的限制，应用时要特别注意。

表2 增益带宽积测量值 R f
R 1 A uo BW A uo ·BW 1
10k Ω 10k Ω 2
100k Ω 10k Ω 3
1M Ω 10k Ω
（3）开环输入阻抗的测试 +15V
运算放大器的开环输入阻抗R i 是 2 7
指运算放大器在开环状态下，输入差模 u S u i µA741 6
信号时，两输入端之间的等效阻抗。

信 R w 3 4 CH1
开环输入阻抗的测试电路如图5所 号 -15V 示波器 示。

其中信号源为输出电压U S = 1V ， 源
频率f i = 100Hz 的正弦波，调节电位器 CH2 R W 直到U i = U S /2 时为止。

关掉电源，
取下电位器（注意不要碰电位器的滑动 图5输入阻抗测试电路（其中：R W =2.2M Ω） 端），测量其阻值R ，则输入阻抗R i = R o 。

输入阻抗R i 越大越好，这样运算放大器从信号源吸取的电流就越小。

C f R f C u o
（4）开环输出阻抗的测试 R 1 +15V
运算放大器开环输出阻抗R o 的 信 R'f 2 7 S 测试电路如图6所示，选取适当的 号 u i µA741
6 R L R f 、C f 和测试频率使运算放大器工 源 R 2 C'f 3 4
作在开环状态。

先不接入R L ，测出 -15V
其输出电压U o ；保持U i 不变，然后 图6 输出阻抗测试电路（图中R 1 = R 2 = 51Ω， 接上R L ，再测出此时的U oL （注意保 R f = 100k Ω，R L = 100Ω，C = C f = C 'f = 47μF ） 持输出波形不失真），按下式求出R o ：
L oL o o R U U R ⋅⎪⎪⎭⎫
⎝⎛-=1 （4）
为了减小测量误差，应取R L ≈ R o 。

运算放大器的输出阻抗（开环）一般为几十至几千欧姆。

4． 共模抑制比的测试 R f
集成运算放大器是一个双端输入、 +15V
单端输出的高增益直接耦合放大器。

信 R 1 2 7
因此，它对共模信号有很强的抑制能 号 R 2 µA741 6
u o 力，电路参数越对称，共模抑制能力 源 u i 3 4
越强。

共模抑制比CMRR 等于运算放 R P -15V
大器的差模电压放大倍数A ud 与共模。

电压放大倍数A uc 之比。

一般用dB 图7 共模抑制比的测试电路（图中
表示其单位。

R 1 = R 2 = 100Ω，R p = R f = 100k Ω）
)(lg 20dB A A CMRR uc
ud = （6） 共模抑制比的测试电路如图7所示。

其中信号源输出频率为100Hz ，电压U i = 2V （有效值）的正弦波。

用毫伏表测量输出电压U o ，则放大器的差模电压增益为：
1R R A f ud =
共模电压增益为： i
o uc U U A = 将A ud 和A uc 的值代入式（5）就可以算出共模抑制比CMRR 。

5. 输出波形的瞬态特性及其测试方法 R f
当运算放大器工作在大信号和开关状 +15V
态（如用作比较器）时，仅知道其频率特 u i R 1 2 7
性是不够的，还必须了解电路的瞬态特性。

信 µA741 6 u o CH1 运算放大器的瞬态特性主要通过转移速率 号 3 4 示波器 S 和建立时间来描述。

源 R p -15V
（1）转移速率S R 的测试 CH2
转移速率是指运算放大器在大幅度阶
跃信号的作用下输出信号所能达到的最大 图8 (a) 转移速率的测试电路 变化率，单位为V/μS 。

影响运算放大器转 （图中R 1 = R f = 10k Ω，R P = R 1 //R f ） 移速率的主要因素是放大器的高频特性和 u i
相位补偿电容。

一般补偿电容越大转移速
率越慢。

对正弦信号而言，S R 决定了放大 0 t 器在高频时所能达到的最大不失真幅度U omax ：
max max 2f S U R o π= u o
对脉冲信号而言，S R 就决定了输出波
形所能达到的上升和下降时间。

转移速率 ΔU o 0 t 的测试电路如图8(a) 所示，信号源输出 Δt
10kHz 的方波，电压U i 的峰—峰值为5V 。

示波器观测到的输入输出波形如图8 (b)
所示。

转移速率∆U/∆t可由示波器测量，图8 (b) 输入/输出波形
其中∆t为输出电压U o从最小值升到最大值所需要的时间。

转移速率越大，说明运算放大器对输入信号的瞬时变化响应越好。

在测试S R时，必须注意以下几点：
a．由于S R与电路的工作状态有关。

同一只运算放大器，在同相应用和反相应用时其S R 将不一样；不同增益、不同补偿条件时，其S R也不一样，输出波形的上升速率和下降速率也不一样。

因此，使用者应根据应用条件进行测试。

生产厂家往往是以最慢的转移速率提供给用户参考。

b．当运算放大器接成放大状态时，其反馈电阻R f不能取得过大，否则将会给测试结果引进误差。

U
o
（2）建立时间t S的测试
建立时间t S是指放大器输入一阶跃信号后，(1+δ)U
or
从响应到最终稳定值（在规定的误差范围内）所U
or
0 t (1-δ)U or
需要的时间，如图9所示。

由图可见，t S是从
输出波形的响应开始，到第一个进入误差范围t s
（1±δ）U or内的峰值为止的这段时间。

当运算放图9
大器用作比较器时，往往就用t S来衡量该运算放大器的响应速度，t S越短，该运算放大器的瞬态响应越好，工作速度也越快。

建立时间t S的测试电路如图10（a）所示。

由于运算放大器工作在单位增益闭环状态，通过附加的支路，使得在A点处（对应的电压为U A）仅剩下输入信号与输出信号之差，其波形如图10（b）所示，再将此信号放大，就可以比较精确地测出t S之值。

R U A R
u i R R U A+δU or
+15V
27 0 t
µA7416u
o
t s -δU or
3 4
-15V
图10 (a) 建立时间t S的测试电路图10（b）A点处的波形（R = 100 kΩ）
五．实验报告要求
1．画出实验电路图，标明元件值。

2．对实验数据进行处理。

3．分析实验结果。

附表：μA741性能参数的典型值
附表μA741的性能参数
电源电压+U CC
-U EE +3V~+18V ，典型值+15V
-3V~-18V，-15V
工作频率10kHz
输入失调电压U IO 2mV 单位增益带宽积A uo·BW 1MHz 输入失调电流I IO20nA 转换速率S R0.5V / μs 开环电压增益A uo106dB 共模抑制比CMRR 90dB 输入电阻R i 2MΩ功率消耗50mW 输出电阻R o75Ω输入电压范围±13V 注意事项：
1．本实验采用μA741型运算放大器JWD-2稳压电源
安装电路时要弄清每个管脚的作用，注意不
要接错线，电路安装后，要认真检查, 确定 A B
接线无误时才接通电源。

，
2．本实验中的±15V直流电压，由双
路输出的稳压电源（JWD —2型）提供，
要按如图所示连接电源。

+15V 接地-15V
图11直流稳压电源正负电压同时输出的接法。