運算放大器(Operational Amplifier, Op-Amp)是模擬電路設計的核心元件，其性能直接決定電路精度。精確測量運放參數(shù)是確保系統(tǒng)可靠性的關鍵步驟，但傳統(tǒng)方法面臨開環(huán)增益過高(可達10^7量級)導致的測量難題。微小電壓擾動(如熱電效應或雜散電流)即可引發(fā)顯著誤差，使常規(guī)技術難以適用。本文提供一套簡易測量方案，通過伺服環(huán)路技術簡化流程，覆蓋直流與交流參數(shù)，幫助工程師高效評估運放性能。

測量原理與挑戰(zhàn)

核心挑戰(zhàn)

運放的開環(huán)特性使其測量極具挑戰(zhàn)性。在開環(huán)模式下，極高增益使輸入端微小電壓擾動(如熱電偶效應或拾取噪聲)被大幅放大，導致輸出飽和或劇烈波動。例如，OP07等精密運放的開環(huán)增益可達200V/mV，直接開環(huán)測試時電路無法穩(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)條件下測量，以避免非線性失真。

伺服環(huán)路技術

為解決上述問題，伺服環(huán)路技術通過強制運放輸入調(diào)零，將誤差反饋至輸入端，實現(xiàn)穩(wěn)定測量。其核心是利用輔助運放作為積分器，構建高直流增益環(huán)路。輔助運放無需優(yōu)于待測器件，但增益應達10^6以上，以抑制誤差。電路配置如圖1所示：

?電源設計?：采用對稱電源(±V)，總電壓為2×V，確保地參考點位于電源中點，適配單電源運放。

?反饋機制?：輔助運放通過電阻和電容網(wǎng)絡限制帶寬至幾Hz，在直流下以最高增益工作。待測運放輸出經(jīng)1000:1衰減器反饋至同相端，強制輸出接近地電位。

?誤差放大?：測試點TP1的電壓為輸入校正電壓的1000倍，簡化高精度測量。

該方案顯著降低誤差，支持多參數(shù)測試，是簡易測量的基石。

靜態(tài)參數(shù)測量方法

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

輸入失調(diào)電壓(Vos)

?定義?：理想運放輸出為零時，輸入端的等效電壓差。

?測量步驟?：

將運放接為閉環(huán)單位增益緩沖器，輸入端接地。

測量輸出電壓Vout，計算Vos = Vout / ACL(ACL為閉環(huán)增益)。

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

?注意事項?：若Vos超過幾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。

?測量步驟?：

在輸入端串聯(lián)高阻值電阻(如1MΩ)，測量電阻壓降。

計算Ib = V電阻 / R;Ios = |Ib+ - Ib-|。

?工具?：高精度萬用表和低噪聲電源。

電源電流(ICC)

?測量方法?：斷開電源與運放的連接，串聯(lián)電流表測量靜態(tài)電流。

動態(tài)參數(shù)測量方法

動態(tài)參數(shù)描述運放的交流響應，包括開環(huán)增益、帶寬和壓擺率，需結(jié)合信號發(fā)生器和示波器。

開環(huán)增益(AOL)

?定義?：輸出電壓與輸入電壓差的比值。

?測量步驟?：

輸入低頻交流信號(如100Hz)，通過反饋網(wǎng)絡強制線性工作。

測量輸入與輸出電壓，計算AOL = Vout / Vin。

避免自激振蕩，可加入小電容補償。

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

帶寬(GBW)與壓擺率(SR)

?帶寬測量?：

輸入正弦信號，逐步增加頻率。

當輸出幅值降至低頻時的0.707倍(-3dB點)，對應頻率為帶寬。

?壓擺率測量?：

輸入大幅值方波，測量輸出電壓從10%到90%的上升時間Δt。

計算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。

?測量步驟?：

施加共模信號，測量輸出電壓變化。

計算CMRR = 20 log (Adiff / Acom)。

通用測量工具與配置

儀器選擇

?核心工具?：示波器、信號發(fā)生器、精密萬用表、可調(diào)電源。

?輔助設備?：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)和動態(tài)測試。

?調(diào)零電路?：補償失調(diào)電壓，提升測量精度。

環(huán)境要求

?低噪聲環(huán)境?：避免溫度波動和電磁干擾。

?PCB布局?：合理接地和布線，減少寄生效應。

注意事項與常見問題

關鍵注意事項

?避免自激振蕩?：在動態(tài)測試中，加入補償電容穩(wěn)定環(huán)路。

?信號頻率范圍?：覆蓋運放工作頻帶，確保結(jié)果代表性。

?高精度測量?：考慮PCB布局和接地設計，減少誤差。

常見問題解決

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

?測量誤差大?：驗證儀器校準和環(huán)境噪聲，使用屏蔽電纜。

實驗案例與結(jié)果分析

實驗設計

?目標?：測量OP07運放的靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)。

?步驟?：

搭建伺服環(huán)路電路，配置±15V電源。

測量Vos、Ib和AOL，記錄TP1電壓和輸出波形。

輸入正弦和方波信號，測試帶寬和SR。

預期結(jié)果

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

?動態(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

?誤差來源?：熱電效應和雜散電流可能導致微小偏差，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，提升重復性。

本文提供的簡易測量指南通過伺服環(huán)路技術，有效解決了運放參數(shù)測量的核心挑戰(zhàn)。靜態(tài)參數(shù)測量需閉環(huán)配置，動態(tài)參數(shù)需結(jié)合信號發(fā)生器和示波器，通用工具和注意事項確保結(jié)果可靠性。