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模电部分
实验一 集成运算放大器指标测试
一、实验目的
1.掌握运算放大器主要指标的测试方法。 2.通过运算放大器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，和其它半导体器件一样，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1-1所示。它是八脚双列直插式组件，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，①脚和⑤脚为失调调零端，①⑤脚之间可接入一只几十KΩ的电位器并将滑动触头接到负电源端。⑧脚为空脚。
图1-1 μA741管脚图 图1-2 UIO、IIO测试电路 1.输入失调电压UIO
输入失调电压UIO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1-2所示。闭合开关K1及K2，使电阻RB短接，测量此时的输出电压UO1，则输入失调电压
? UIO=
R1UO1
R1?RF实际测出的UO可能为正，也可能为负。高质量的运放UIO一般在1mV以下。 测试中应注意：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IIO
输入失调电流IIO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
IIO=丨IB1-IB2丨
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1-2所示，测试分两步进行：
(1)闭合开关K1及K2，在低输入电阻下，测出输出电压UO1，如前所述，这是由于输入失调电压
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UIO所引起的输出电压。
(2)断开K1及K2，两个输入电阻RB接入，由于RB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，测出两个电阻RB接入时的输出电压UO2，若从中扣除输入失调电压UIO的影响，则输入失调电流IIO为
IIO=｜IB1-IB2｜=｜UO2-UO1｜
R11?
R1?RFRB一般，IIO在100nA 以下。
测试中应注意：①将运放调零端开路。
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开环差模电压放大倍数，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
Aud=
Uo Uid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。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1-3所示。
图1-3 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uS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
Aud＝
UoR1Uo=(1+) UidR2Ui测试中应注意：①测试前电路应首先消振及调零。
②被测运放要工作在线性区。
③输入信号频率应较低，一般用50～100Hz输出信号无明显失真。 4.共模抑制比CMRR
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
CMRR＝｜
AdAd｜或 CMRR＝20lg｜｜(db) AcAc共模抑制比在应用中是一个很重要的参数，理想运放对输入的共模信号其输出为零。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，输出端共模信号愈小，说明电路对称性愈好，
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也就是说运放对共模干扰信号的抑制能力愈强，即CMRR愈大。CMRR的测试电路如图1-4所示。
图1-4 CMRR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UOC时，则共模电压放大倍数为
AC＝得共模抑制比
CMRR＝｜
Uoc UicAdRFUic｜＝ AcR1Uoc测试中应注意：①消振与调零
②R1与R2、R3与RF之间阻值严格对称
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
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CMRR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1-5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U0PP
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1-6所示。 逐渐增大UO幅度，观察UO即将失真还没有失真的时刻，从而确定运放在某一电源电压下可能输出的电压峰峰值UOPP。
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图1-5 Uicm测试电路 图1-6 UOPP测试电路
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位进行调零，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RW，调零时，将输入端接地，用直流电压表测量输出电压UO，细心调节RW，使UO为零(即失调电压为零)。如运放没有调零端子，若要调零，可按图1-7所示电路进行调零。
图1-7 调零电路
一个运放如不能调零，大致有如下原因： ①组件正常，接线有错误
②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。
③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。
④组件正常，但电路有自激现象，应进行消振。 ⑤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，亦会有输出，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:
①若运放有相位补偿端子，可利用外接RC补偿电路，产品手册中有补偿电路及元件参数提供。 ②电路布线、元器件布局应尽量减少分布电容。
③在正、负电源进线与地之间接上几十μF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
?1.±12V直流电源 4.交流毫伏表 ?2.函数信号发生器 5.直流电压表
?3.双踪示波器(另配) 6.集成运算放大器μA74131电阻器、电容器若干。? 四、实验内容
1.测量输入失调电压UIO
按图1-2连接实验电路，闭合开关K1、K2，用直流电压表测量输出电压UO1，并计算UIO。记入表1-1。
2.测量输入失调电流IIO
实验电路如图1-2，打开开关K1、K2，用直流电压表测量UO2，并计算IIO。记入表9-1。
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表1-1
UIO(mV) 实测值 典型值 实测值 IIO(nA) 典型值 实侧值 Aud(db) 典型值 CMRR(db) 实侧值 典型值 3.测量开环差模电压放大倍数Aud
按图1-3连接实验电路，运放输入端加频率100Hz，大小约30～50mV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1-1。
4.测量共模抑制比CMRR
按图1-4连接实验电路，运放输入端加f＝100Hz，Uic＝1～2V正弦信号，监视输出波形。测量UOC和Ui，计算AC及CMRR。记入表1-1。
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、实验报告
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。 六、预习要求
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，而在进行其它测试时，则要求输出电压进行调零。
4.测试信号的频率选取的原则是什么?
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