精確測(cè)量運(yùn)算放大器性能的簡(jiǎn)易方法

運(yùn)算放大器是差分輸入、單端輸出的極高增益放大器，常用于高精度模擬電路，因此必須精確測(cè)量其性能。但在開環(huán)測(cè)量中，其開環(huán)增益可能高達(dá)107或更高，而拾取、雜散電流或塞貝克（熱電偶）效應(yīng)可能會(huì)在放大器輸入端產(chǎn)生非常小的電壓，這樣誤差將難以避免。

　　通過使用伺服環(huán)路，可以大大簡(jiǎn)化測(cè)量過程，強(qiáng)制放大器輸入調(diào)零，使得待測(cè)放大器能夠測(cè)量自身的誤差。圖1顯示了一個(gè)運(yùn)用該原理的多功能電路，它利用一個(gè)輔助運(yùn)放作為積分器，來建立一個(gè)具有極高直流開環(huán)增益的穩(wěn)定環(huán)路。開關(guān)為執(zhí)行下面所述的各種測(cè)試提供了便利。

　　圖1所示電路能夠?qū)⒋蟛糠譁y(cè)量誤差降至最低，支持精確測(cè)量大量直流和少量交流參數(shù)。附加的“輔助”運(yùn)算放大器無需具有比待測(cè)運(yùn)算放大器更好的性能，其直流開環(huán)增益最好能達(dá)到106或更高。如果待測(cè)器件（DUT）的失調(diào)電壓可能超過幾mV，則輔助運(yùn)放應(yīng)采用±15 V電源供電（如果DUT的輸入失調(diào)電壓可能超過10 mV，則需要減小99.9 kΩ電阻R3的阻值）

　　DUT的電源電壓+V和–V幅度相等、極性相反?？傠娫措妷豪硭?dāng)然是2 × V。該電路使用對(duì)稱電源，即使“單電源”運(yùn)放也是如此，因?yàn)橄到y(tǒng)的地以電源的中間電壓為參考。

　　作為積分器的輔助放大器在直流時(shí)配置為開環(huán)（最高增益），但其輸入電阻和反饋電容將其帶寬限制為幾Hz。這意味著，DUT輸出端的直流電壓被輔助放大器以最高增益放大，并通過一個(gè)1000:1衰減器施加于DUT的同相輸入端。負(fù)反饋將DUT輸出驅(qū)動(dòng)至地電位。（事實(shí)上，實(shí)際電壓是輔助放大器的失調(diào)電壓，更精確地說是該失調(diào)電壓加上輔助放大器的偏置電流在100 kΩ電阻上引起的壓降，但它非常接近地電位，因此無關(guān)緊要，特別是考慮到測(cè)量期間此點(diǎn)的電壓變化不大可能超過幾mV）。

　　測(cè)試點(diǎn)TP1上的電壓是施加于DUT輸入端的校正電壓（與誤差在幅度上相等）的1000倍，約為數(shù)十mV或更大，因此可以相當(dāng)輕松地進(jìn)行測(cè)量。

　　理想運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓（Vos）為0，即當(dāng)兩個(gè)輸入端連在一起并保持中間電源電壓時(shí)，輸出電壓同樣為中間電源電壓?，F(xiàn)實(shí)中的運(yùn)算放大器則具有幾微伏到幾毫伏不等的失調(diào)電壓，因此必須將此范圍內(nèi)的電壓施加于輸入端，使輸出處于中間電位。

　　圖2給出了最基本測(cè)試——失調(diào)電壓測(cè)量的配置。當(dāng)TP1上的電壓為DUT失調(diào)電壓的1000倍時(shí)，DUT輸出電壓處于地電位。

　　理想運(yùn)算放大器具有無限大的輸入阻抗，無電流流入其輸入端。但在現(xiàn)實(shí)中，會(huì)有少量“偏置”電流流入反相和同相輸入端（分別為Ib–和Ib+），它們會(huì)在高阻抗電路中引起顯著的失調(diào)電壓。根據(jù)運(yùn)算放大器類型的不同，這種偏置電流可能為幾fA（1 fA = 10–15 A，每隔幾微秒流過一個(gè)電子）至幾nA；在某些超快速運(yùn)算放大器中，甚至達(dá)到1 - 2 μA。圖3顯示如何測(cè)量這些電流。

　　該電路與圖2的失調(diào)電壓電路基本相同，只是DUT輸入端增加了兩個(gè)串聯(lián)電阻R6和R7。這些電阻可以通過開關(guān)S1和S2短路。當(dāng)兩個(gè)開關(guān)均閉合時(shí)，該電路與圖2完全相同。當(dāng)S1斷開時(shí)，反相輸入端的偏置電流流入Rs，電壓差增加到失調(diào)電壓上。通過測(cè)量TP1的電壓變化（=1000 Ib–×Rs），可以計(jì)算出Ib–。同樣，當(dāng)S1閉合且S2斷開時(shí)，可以測(cè)量Ib+。如果先在S1和S2均閉合時(shí)測(cè)量TP1的電壓，然后在S1和S2均斷開時(shí)再次測(cè)量TP1的電壓，則通過該電壓的變化可以測(cè)算出“輸入失調(diào)電流”Ios，即Ib+與Ib–之差。R6和R7的阻值取決于要測(cè)量的電流大小。

　　如果Ib的值在5 pA左右，則會(huì)用到大電阻，使用該電路將非常困難，可能需要使用其它技術(shù)，牽涉到Ib給低泄漏電容（用于代替Rs）充電的速率。

　　當(dāng)S1和S2閉合時(shí)，Ios仍會(huì)流入100 Ω電阻，導(dǎo)致Vos誤差，但在計(jì)算時(shí)通?？梢院雎运?，除非Ios足夠大，產(chǎn)生的誤差大于實(shí)測(cè)Vos的1%。

　　運(yùn)算放大器的開環(huán)直流增益可能非常高，107以上的增益也并非罕見，但250，000到2，000，000的增益更為常見。直流增益的測(cè)量方法是通過S6切換DUT輸出端與1 V基準(zhǔn)電壓之間的R5，迫使DUT的輸出改變一定的量（圖4中為1 V，但如果器件采用足夠大的電源供電，可以規(guī)定為10 V）。如果R5處于+1 V，若要使輔助放大器的輸入保持在0附近不變，DUT輸出必