運(yùn)算放大器(Operational Amplifier, Op-Amp)是模擬電路設(shè)計(jì)的核心元件，其性能直接決定電路精度。精確測(cè)量運(yùn)放參數(shù)是確保系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵步驟，但傳統(tǒng)方法面臨開(kāi)環(huán)增益過(guò)高(可達(dá)10^7量級(jí))導(dǎo)致的測(cè)量難題。微小電壓擾動(dòng)(如熱電效應(yīng)或雜散電流)即可引發(fā)顯著誤差，使常規(guī)技術(shù)難以適用。本文提供一套簡(jiǎn)易測(cè)量方案，通過(guò)伺服環(huán)路技術(shù)簡(jiǎn)化流程，覆蓋直流與交流參數(shù)，幫助工程師高效評(píng)估運(yùn)放性能。

測(cè)量原理與挑戰(zhàn)

核心挑戰(zhàn)

運(yùn)放的開(kāi)環(huán)特性使其測(cè)量極具挑戰(zhàn)性。在開(kāi)環(huán)模式下，極高增益使輸入端微小電壓擾動(dòng)(如熱電偶效應(yīng)或拾取噪聲)被大幅放大，導(dǎo)致輸出飽和或劇烈波動(dòng)。例如，OP07等精密運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益可達(dá)200V/mV，直接開(kāi)環(huán)測(cè)試時(shí)電路無(wú)法穩(wěn)定，輸出易受環(huán)境干擾影響。此外，靜態(tài)參數(shù)(如失調(diào)電壓)需在閉環(huán)條件下測(cè)量，以避免非線性失真。

伺服環(huán)路技術(shù)

為解決上述問(wèn)題，伺服環(huán)路技術(shù)通過(guò)強(qiáng)制運(yùn)放輸入調(diào)零，將誤差反饋至輸入端，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定測(cè)量。其核心是利用輔助運(yùn)放作為積分器，構(gòu)建高直流增益環(huán)路。輔助運(yùn)放無(wú)需優(yōu)于待測(cè)器件，但增益應(yīng)達(dá)10^6以上，以抑制誤差。電路配置如圖1所示：

?電源設(shè)計(jì)?：采用對(duì)稱(chēng)電源(±V)，總電壓為2×V，確保地參考點(diǎn)位于電源中點(diǎn)，適配單電源運(yùn)放。

?反饋機(jī)制?：輔助運(yùn)放通過(guò)電阻和電容網(wǎng)絡(luò)限制帶寬至幾Hz，在直流下以最高增益工作。待測(cè)運(yùn)放輸出經(jīng)1000:1衰減器反饋至同相端，強(qiáng)制輸出接近地電位。

?誤差放大?：測(cè)試點(diǎn)TP1的電壓為輸入校正電壓的1000倍，簡(jiǎn)化高精度測(cè)量。

該方案顯著降低誤差，支持多參數(shù)測(cè)試，是簡(jiǎn)易測(cè)量的基石。

靜態(tài)參數(shù)測(cè)量方法

靜態(tài)參數(shù)反映運(yùn)放的直流特性，包括失調(diào)電壓、偏置電流和電源電流，需在閉環(huán)條件下測(cè)量以避免開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定性。

輸入失調(diào)電壓(Vos)

?定義?：理想運(yùn)放輸出為零時(shí)，輸入端的等效電壓差。

?測(cè)量步驟?：

將運(yùn)放接為閉環(huán)單位增益緩沖器，輸入端接地。

測(cè)量輸出電壓Vout，計(jì)算Vos = Vout / ACL(ACL為閉環(huán)增益)。

使用伺服環(huán)路時(shí)，通過(guò)TP1電壓直接讀取校正值，該電壓為Vos的1000倍。

?注意事項(xiàng)?：若Vos超過(guò)幾mV，需降低反饋電阻或使用±15V電源供電。

輸入偏置電流(Ib)與失調(diào)電流(Ios)

?定義?：Ib為流入輸入端的直流電流，Ios為兩輸入端Ib之差。

?測(cè)量步驟?：

在輸入端串聯(lián)高阻值電阻(如1MΩ)，測(cè)量電阻壓降。

計(jì)算Ib = V電阻 / R;Ios = |Ib+ - Ib-|。

?工具?：高精度萬(wàn)用表和低噪聲電源。

電源電流(ICC)

?測(cè)量方法?：斷開(kāi)電源與運(yùn)放的連接，串聯(lián)電流表測(cè)量靜態(tài)電流。

動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量方法

動(dòng)態(tài)參數(shù)描述運(yùn)放的交流響應(yīng)，包括開(kāi)環(huán)增益、帶寬和壓擺率，需結(jié)合信號(hào)發(fā)生器和示波器。

開(kāi)環(huán)增益(AOL)

?定義?：輸出電壓與輸入電壓差的比值。

?測(cè)量步驟?：

輸入低頻交流信號(hào)(如100Hz)，通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)制線性工作。

測(cè)量輸入與輸出電壓，計(jì)算AOL = Vout / Vin。

避免自激振蕩，可加入小電容補(bǔ)償。

?替代方案?：使用伺服環(huán)路時(shí)，通過(guò)輸入輸出曲線斜率直接獲取AOL。

帶寬(GBW)與壓擺率(SR)

?帶寬測(cè)量?：

輸入正弦信號(hào)，逐步增加頻率。

當(dāng)輸出幅值降至低頻時(shí)的0.707倍(-3dB點(diǎn))，對(duì)應(yīng)頻率為帶寬。

?壓擺率測(cè)量?：

輸入大幅值方波，測(cè)量輸出電壓從10%到90%的上升時(shí)間Δt。

計(jì)算SR = ΔV / Δt。

共模抑制比(CMRR)

?定義?：差模增益與共模增益的比值，反映抑制共模干擾的能力。

?測(cè)量步驟?：

施加共模信號(hào)，測(cè)量輸出電壓變化。

計(jì)算CMRR = 20 log (Adiff / Acom)。

通用測(cè)量工具與配置

儀器選擇

?核心工具?：示波器、信號(hào)發(fā)生器、精密萬(wàn)用表、可調(diào)電源。

?輔助設(shè)備?：低噪聲電源和屏蔽環(huán)境，減少外部干擾。

電路配置

?閉環(huán)放大電路?：如反相/同相放大器，用于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試。

?調(diào)零電路?：補(bǔ)償失調(diào)電壓，提升測(cè)量精度。

環(huán)境要求

?低噪聲環(huán)境?：避免溫度波動(dòng)和電磁干擾。

?PCB布局?：合理接地和布線，減少寄生效應(yīng)。

注意事項(xiàng)與常見(jiàn)問(wèn)題

關(guān)鍵注意事項(xiàng)

?避免自激振蕩?：在動(dòng)態(tài)測(cè)試中，加入補(bǔ)償電容穩(wěn)定環(huán)路。

?信號(hào)頻率范圍?：覆蓋運(yùn)放工作頻帶，確保結(jié)果代表性。

?高精度測(cè)量?：考慮PCB布局和接地設(shè)計(jì)，減少誤差。

常見(jiàn)問(wèn)題解決

?輸出不穩(wěn)定?：檢查反饋網(wǎng)絡(luò)和電源穩(wěn)定性，確保伺服環(huán)路正確配置。

?測(cè)量誤差大?：驗(yàn)證儀器校準(zhǔn)和環(huán)境噪聲，使用屏蔽電纜。

實(shí)驗(yàn)案例與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

?目標(biāo)?：測(cè)量OP07運(yùn)放的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)。

?步驟?：

搭建伺服環(huán)路電路，配置±15V電源。

測(cè)量Vos、Ib和AOL，記錄TP1電壓和輸出波形。

輸入正弦和方波信號(hào)，測(cè)試帶寬和SR。

預(yù)期結(jié)果

?靜態(tài)參數(shù)?：Vos在微伏級(jí)，Ib在納安級(jí)，符合數(shù)據(jù)手冊(cè)。

?動(dòng)態(tài)參數(shù)?：AOL接近理論值，帶寬和SR與規(guī)格一致。

結(jié)果討論

?誤差來(lái)源?：熱電效應(yīng)和雜散電流可能導(dǎo)致微小偏差，但伺服環(huán)路顯著抑制誤差。

?優(yōu)化建議?：使用更高精度儀器和溫度控制環(huán)境，提升重復(fù)性。

本文提供的簡(jiǎn)易測(cè)量指南通過(guò)伺服環(huán)路技術(shù)，有效解決了運(yùn)放參數(shù)測(cè)量的核心挑戰(zhàn)。靜態(tài)參數(shù)測(cè)量需閉環(huán)配置，動(dòng)態(tài)參數(shù)需結(jié)合信號(hào)發(fā)生器和示波器，通用工具和注意事項(xiàng)確保結(jié)果可靠性。