电子科技大学微电子与固体电子学院
标准实验报告
课程名称 集成电路原理与设计
电子科技大学教务处制表
电子科技大学
实 验 报 告
学生姓名： 学号： 指导教师：
实验地点：微固楼335 实验时间：
一、实验室名称：微电子技术实验室
二、实验项目名称：集成运算放大器参数的测试
三、实验学时：4
四、实验原理：
运算放大器符号如图1所示，有两个输入端。一个是反相输入端用“-”表示，另一个是同相输入端用“+”表示。可以是单端输入，也可是双端输入。若把输入信号接在“-”输入端，而“+”端接地，或通过电阻接地，则输出信号与输入信号反相，反之则同相。若两个输入端同时输入信号电压为V- 和V+ 时，其差动输入信号为VID= V- - V+ 。开环输出电压V0=AVOVID 。AVO为开环电压放大倍数。
运算放大器在实际使用中，为了改善电路的性能，在输入端和输出端之间总是接有不同的反馈网络。通常是接在输出端和反相输入端之间。
图1 运算放大器符号
本实验的重点在于根据实验指导书要求，对开环电压增益、输入失调电压、共模抑制比、电压转换速率和脉冲响应时间等主要运放参数进行测量。
五、实验目的：
运算放大器是一种直接耦合的高增益放大器，在外接不同反馈网络后，就可具有不同的运算功能。运算放大器除了可对输入信号进行加、减、乘、除、微分、等数学运算外，还在自动控制、测量技术、仪器仪表等各个领域得到广泛应用。
为了更好地使用运算放大器，必须对它的各种参数有一个较为全面的了解。运算放大器结构十分复杂，参数很多，测试方法各异，需要分别进行测量。
本实验正是基于如上的技术应用背景和《集成电路原理》课程设置及其特点而设置，目的在于：
（1）了解集成电路测试的常用仪器仪表使用方法及注意事项。
（2）学习集成运算放大器主要参数的测试原理，掌握这些主要参数的测试方法。
通过该实验，使学生了解运算放大器测试结构和方法，加深感性认识，增强学生的实验与综合分析能力，进而为今后从事科研、开发工作打下良好基础。
六、实验内容：
1 ．开环电压增益测量。
2 ．开环输出电阻测量。
3 ．输入失调电压测量。
4 ．共模抑制比测量。
5 ．电压转换速率测量。
6 ．脉冲响应时间测量。
七、实验器材：
（1）直流稳压电源 一台
（2）数字双踪示波器* 一台
（3）信号发生器 一台
（4）实验测试板及连接线 一套
（5）常见通用运算放大器IC样品 一块
八、实验步骤：
1、首先熟悉数字双踪示波器和信号源的使用，根据指导书要求搭建各参数的测试电路。注意所选电阻、电容的值，不能确定时要用万用表测量；在测试板上连接测试电路时应注意各运放集成块各管脚的功能，以免连接错误。
2、各参数的测试
（1）、开环电压增益
由于开环电压增益 AV0很大，输入信号VI很小，加之输入电压与输出电压之间有相位差，从而引人了较大的测试误差，实际测试中难以实现。测试开环电压增益时，都采用交流开环，直流闭环的方法。测试原理如图2 所示。
图2 开环直流电压增益测试原理图
直流通过RF实现全反馈，放大器的直流增益很小，故输入直流电平十分稳定，不需进行零点调节。取 CF足够大，以满足 RF 》 l/ wCF ，使放大器的反相端交流接地，以保证交流开环的目的。这样只要测得交流信号电压vS和vo，就能得到
（1）
在讯号频率固定的条件下，增加输入信号电压幅度，使输出端获得最大无失真的波形。保持输入电压不变，增加输入电压频率，当输出电压的幅值降低到低频率值的 0.707倍，此时频率为开环带宽。
（2）、输入失调电压VIO
图3 输入失调电压和失调电流测试原理图
由于运放电路参数的不对称，使得两个输入端都接地时，输出电压不为零，称为放大器的失调。为了使输出电压回到零，就必须在输入端加上一个纠偏电压来补偿这种失调，这个所加的纠偏电压就叫运算放大器的输入失调电压，用VIO表示。故VIO的定义为使输出电压为零在两输入端之间需加有的直流补偿电压。
输入失调电压的测量原理如图3所示。图中直流电路通过 RI 和 RF 接成闭合环路。通常RI的取值不超过 100W , RF 》 RI。
（3）共模抑制比kCMR
运放应对共模信号有很强的抑制能力。表征这种能力的参数叫共模抑制比，用kCMR表示。它定义为差模电压增益 AVD 和共模电压增益AVC之比，即
图4 共模抑制比测试原理图
测试原理如图 4所示。kCMR的大小往往与频率有关，同时也与输入信号大小和波形有关。测量的频率不宜太高，信号不宜太大。
（4）、电压转换速率SR的测试
电压转换速率SR定义为运放在单位增益状态下，在运放输入端送入规定的大信号阶跃脉冲电压时，输出电压随时间的最大变化率。
图 5 电压转换速率侧试原理图
SR的测试原理如图 5（a ）所示。测试时取 RI = RF ，在输入端送入脉冲电压，从输出端见到输出波形，如图5 (b）所示。这时可以规定过冲量的输出脉冲电压上升沿（下降沿）的恒定变化率区间内，取输出电压幅度DV0和对应的时间Dt，由计算公式求出
（2）
通常上升过程和下降过程不同，故应分别测出 SR+和SR-。
（5）、脉冲晌应时间的测试（或称为建立时间）
图6 读取响应时间方法
脉冲响应时间包括上升时间，下降时间、延迟时间、和脉动时间等，测试原理仍如图 5（a）所示，取 RF＞RI，RI远大于信号源内阻、规定的误差带为1%。读取响应时间方法如图 6 所示。其中 tr 为上升时间， tf 为下降时间， td(r 为上升延迟时间，td(f为下降延迟时间。
九、实验数据及结果分析：
1、开环增益
表1 开环增益测试数据列表
则：
可得
2、输入失调电压
表2输入失调电压测试数据列表
则：
3、共模抑制比
表3 共模抑制比测试数据列表
则，共模增益：
可得其共模抑制比
或 98.5dB
4、转换速率
表4 转换速率测试数据列表
则
5、单位增益带宽
表5 单位增益带宽测试数据列表
得
十、实验结论：
结合课程所学的知识，对mA741双极运算放大器的主要参数进行了测试，熟悉了数字双踪示波器等常用仪器的使用技巧，掌握了通用运算放大器的测试方法，同时对课程中相关的理论知识有了更深入的认识。
十一、总结及心得体会：
通过本次实验，熟悉了数字双踪示波器等常用仪器的使用技巧，掌握了通用运算放大器的测试方法，加深了对所学理论知识的感性认识，增强了自身的实验与综合分析能力，进而为今后从事科研、开发工作打下良好基础。
十二、对本实验过程及方法、手段的改进建议：
无。
报告评分：
指导教师签字：
评分标准：该实验课程将以一定比例（10%）计入《集成电路原理与设计》课程总分，该实验评分标准为：总分20分，具体如下：
第二篇：集成运算放大器指标测试
集成运算放大器参数的测试
电信S09-2-18 ##
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UIO和输入失调电流IIO产生的原因。
三．实验设备
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Uop-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ui 为100Hz正弦信号。当接入负载RL后，逐渐加大输入信号ui 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Uop-p就是运算放大器的最大摆幅。若将ui输入到示波器的X轴，uo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Uo p-p 的大小。
图1（图中：R1 = R2 = 1.2kW，Rf= 20kW）
Uop-p 与负载电阻RL有关，对于不同的RL，Uop-p也不同。根据表1，改变负载电阻RL的阻值，记下不同RL时的Uop-p，并根据RL和Uop-p，求出运算放大器输出电流的最大摆幅Iop-p = Uop-p /RL，
运算放大器的Uop-p除了与负载电阻RL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，Uop-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UIO、输入偏置电流IB、输入失调电流IIO及它们的温度漂移来描述。
（1）输入失调电压UIO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UIO表示。显然UIO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UIO主要取决于输入级差分对管Ube的对称性，UIO一般为0.5 ~ 5mV 。
失调电压的测试电路如图2所示。用万用表（最好是数字万用表）测出其输出电压Uo，则输入失调电压UIO可由下式计算：
（1）
（2）输入失调电流的测试
输入端偏置电流IB是指输出端为零电平时，两输入端基极电流的平均值，即：
IB =（IB++IB-）∕2
式中IB+ 为同相输入端基极电流，IB- 为反相输入端基极电流。当电路参数对称时，IB+ = IB- 。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IIO表示：
IIO = IB+ - IB-
显然，IIO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b值不一致引起的。IIO一般为1nA ~ 10mA，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U3及反相端2对地的电压U2 ，则输入失调电流IIO可由下式计算：
（2）
输入失调电压UIO和输入失调电流IIO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要有：开环电压增益Auo、输入阻抗Ri、输出阻抗Ro 及增益带宽积。
（1）开环电压增益Auo的测试开环电压增益Auo是指运算放大器没有反馈时的差模电压增益，即运算放大器的输出电压Uo与差模输入电压Ui之比值。开环电压增益通常很高，因此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Auo的电路如图3所示（图中R1 = Rf= 51kΩ，R2 = RP = 51W，R3 = 1kW，C = 47µF）。
选择电阻（R1 + R2）＞＞R3，则开环电压增益Auo为：
（3）
用毫伏表分别测量Uo及Ui ，由上式算出开环电压增益Auo。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。ui 的幅度不能太大，一般取几十毫伏。
（2） 增益带宽积的测试
运算放大器可以工作在零频率（即直流），因此它在截止频率fc处的电压增益比直流时的电压增益低3dB，故运算放大器的带宽BW就等于截止频率fc 。增益越高，带宽越窄，增益带宽积Auo·BW=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。
增益带宽积的测试电路如图4所示：其中信号源用来输出Ui = 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Rf = R1 = 10kW，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Auo = Uo/ Ui = 1应保持不变。继续增高频率直到A´uo = 0.707 Auo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Auo时的带宽BW，通过计算求出增益带宽积Auo·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
（3）开环输入阻抗的测试
运算放大器的开环输入阻抗Ri 是指运算放大器在开环状态下，输入差模信号时，两输入端之间的等效阻抗。
开环输入阻抗的测试电路如图5所示。其中信号源为输出电压US = 1V，频率fi = 100Hz的正弦波，调节电位器RW直到Ui = US /2 时为止。关掉电源，取下电位器（注意不要碰电位器的滑动端），测量其阻值R，则输入阻抗Ri = Ro。输入阻抗Ri 越大越好，这样运算放大器从信号源吸取的电流就越小。
（4）开环输出阻抗的测试
运算放大器开环输出阻抗Ro的测试电路如图6所示，选取适当的Rf、Cf和测试频率使运算放大器工作在开环状态。先不接入RL，测出其输出电压Uo；保持Ui 不变，然后接上RL，再测出此时的UoL（注意保持输出波形不失真），按下式求出Ro：
（4）
为了减小测量误差，应取RL » Ro。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
集成运算放大器是一个双端输入、单端输出的高增益直接耦合放大器。
因此，它对共模信号有很强的抑制能力，电路参数越对称，共模抑制能力越强。共模抑制比CMRR等于运算放大器的差模电压放大倍数Aud与共模。
电压放大倍数Auc之比。一般用dB表示其单位。
（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Ui = 2V（有效值）的正弦波。用毫伏表测量输出电压Uo，则放大器的差模电压增益为：
共模电压增益为： 
将Aud和Auc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
当运算放大器工作在大信号和开关状态（如用作比较器）时，仅知道其频率特性是不够的，还必须了解电路的瞬态特性。
运算放大器的瞬态特性主要通过转移速率S和建立时间来描述。
（1）转移速率SR的测试
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变化率，单位为V/mS。影响运算放大器转移速率的主要因素是放大器的高频特性和相位补偿电容。一般补偿电容越大转移速率越慢。对正弦信号而言，SR决定了放大器在高频时所能达到的最大不失真幅度Uomax：
对脉冲信号而言，SR就决定了输出波形所能达到的上升和下降时间。转移速率的测试电路如图8(a) 所示，信号源输出10kHz的方波，电压Ui 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DU/Dt可由示波器测量， 其中Dt为输出电压Uo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SR时，必须注意以下几点：
a．由于SR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SR将不一样；不同增益、不同补偿条件时，其SR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Rf不能取得过大，否则将会给测试结果引进误差。
（2）建立时间tS的测试
建立时间tS 是指放大器输入一阶跃信号后，从响应到最终稳定值（在规定的误差范围内）所需要的时间，如图9所示。由图可见，tS 是从输出波形的响应开始，到第一个进入误差范围（1±d）Uor内的峰值为止的这段时间。当运算放大器用作比较器时，往往就用tS 来衡量该运算放大器的响应速度，tS 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tS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UA）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tS 之值。
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： mA741性能参数的典型值
附表 mA741的性能参数
注意事项：
1．本实验采用 mA741型运算放大器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。
