運(yùn)算放大器作為《模擬與數(shù)字電路》中的核心集成器件，其參數(shù)的測試電路及測試方法，都將給予學(xué)生極大的啟發(fā)，幫助加深理解電類基礎(chǔ)課程。但是，運(yùn)算放大器的多個參數(shù)測試都較為困難，很難得到確切的、準(zhǔn)確的實驗結(jié)果。

　　我們所要借助的科學(xué)測量神器，ELVIS III。

　　運(yùn)算放大器，作為模擬電路的起源，如果你只知道虛短虛斷就太Low，如果你連虛短虛斷都不知道，那就。。。往下看吧，你還小，沒接觸過不怪你。

　　正輸入端和負(fù)輸入端的虛短虛斷，就好像正輸入端和負(fù)輸入端都放了一杯水，運(yùn)算放大器有一種魔法，可以讓這兩杯水一直保持相同的水位，但是本身不與水接觸。

　　沒有水流入流出運(yùn)放，沒有水流。水杯中的水高度就是電壓，正輸入與負(fù)輸入的電位始終相同就是虛短，就好像短路連接在一起一樣。

　　但是正輸入、負(fù)輸入與運(yùn)算放大器之間沒有電流，就好像斷路一樣，就叫虛斷。

　　就好像網(wǎng)戀，一鬧一熱沒聊兩句就老公老婆了，就是個名義上占個口頭便宜，其實你倆連接不到一起，虛短；

　　那也就更不可能產(chǎn)生內(nèi)部交流，沒電流，虛斷。

　　又或者是備胎，女神啥禮物都收，其實就是個虛短虛斷。

　　這是運(yùn)放的典型電路，正輸入端接地0V，那么負(fù)輸入端也是0V，正輸入端到運(yùn)放沒有電流，負(fù)輸入端到運(yùn)放也沒有電流。

　　所以電流從R1直接流到R2，到達(dá)輸出端。

　　因為虛斷沒有電流的特性，如果把運(yùn)放去掉就非常好理解了，反正也沒有電流，相當(dāng)于斷開，只要把負(fù)輸入端電壓鉗制為0V符合虛短的特性就行。

　　這就是我們非常熟悉的電路了。歐姆定律就能搞定，得出了V0和Vi的關(guān)系。

　　動態(tài)黑色音符

　　這些都太簡單，下面才是重頭戲。

　　運(yùn)算放大器測試系統(tǒng)包括：開環(huán)增益測試系統(tǒng)、失調(diào)電壓調(diào)整測試系統(tǒng)、壓擺率測試系統(tǒng)、全功率帶寬測試系統(tǒng)、單位增益帶寬測試系統(tǒng)、同相放大器的增益帶寬積測試系統(tǒng)。

　　一、直流轉(zhuǎn)移特性之開環(huán)增益

　　運(yùn)算放大器的動態(tài)技術(shù)指標(biāo)，開環(huán)增益，即開環(huán)電壓放大倍數(shù)，運(yùn)算放大器在無外加反饋條件下，輸出電壓與輸入電壓的變化量之比。開環(huán)電壓放大倍數(shù)的數(shù)值在105量級，也就是100V/mV，運(yùn)算放大器在輸入電壓為±15V時，輸出電壓能夠達(dá)到12V，那么，運(yùn)算放大器在無外加反饋條件下，輸入電壓的變化范圍在0.1mV。

　　理想的運(yùn)算放大器開環(huán)增益為無窮大，但實際的非理想運(yùn)算放大器的開環(huán)增益通常在100~1000V/mV，并且隨負(fù)載阻抗、環(huán)境溫度和電源電壓而變化。在額定負(fù)載與無負(fù)載條件下，開環(huán)增益的變化幅度不會超過10倍。多數(shù)運(yùn)算放大器具有正增益溫度系數(shù)，約為0.5至1%/0C，開環(huán)增益隨電源而變化的幅度約為2%/%。開環(huán)增益影響直流誤差，且隨著溫度變化，當(dāng)溫度升高時所帶來的誤差較大，開環(huán)增益較低的運(yùn)算放大器不適合高精度場合。

　　所述的開環(huán)增益測試系統(tǒng)，如圖1所示，運(yùn)算放大器開環(huán)增益測試系統(tǒng)圖，第一電阻取100kΩ，第二電阻取1kΩ，模擬輸出模塊的AO端輸出電壓Vin，運(yùn)算放大器的輸出端電壓Vout接入到模擬輸入模塊的AO端。如圖1-2為基于科學(xué)測量神器ELVIS III的實測圖。

　　圖1 開環(huán)增益測試圖

　　圖1-2 開環(huán)增益實測圖

　　模擬輸出模塊的AO端電壓給定，包括起始電壓、終止電壓、步進(jìn)電壓，起始電壓以步進(jìn)電壓為幅度改變至終止電壓，起始電壓與終止電壓必須穿越正負(fù)區(qū)域，步進(jìn)電壓取值為-1mV到-10uV或10uV到1mV，步進(jìn)電壓為正值時，終止電壓大于起始電壓，起始電壓逐步增加至終止電壓，步進(jìn)電壓為負(fù)值時，終止電壓小于起始電壓，起始電壓逐步減小至終止電壓。為了得到運(yùn)算放大器最穩(wěn)定的開環(huán)增益測試結(jié)果，步進(jìn)電壓的設(shè)置為正、負(fù)值交替最優(yōu)。如圖2所示，開環(huán)增益測試圖的數(shù)據(jù)處理圖，添加線性趨勢線后，得到直線斜率為7135，再計算電壓衰減倍數(shù)為101倍，開環(huán)增益為720.635V/mV。

　　圖2 開環(huán)增益實測結(jié)果處理

　　運(yùn)算放大器的輸出端連接到模擬輸入模塊的導(dǎo)線不能超過40cm，越短越好，否則，開環(huán)增益測試圖中，縱坐標(biāo)為零時的橫坐標(biāo)值會發(fā)生偏移，甚至?xí)?dǎo)致開環(huán)增益測試圖中的三段波形變成一段，縱坐標(biāo)一直處于正輸出截止電壓或負(fù)輸出截止電壓；起始電壓為正、終止電壓為負(fù)時，一段波形的縱坐標(biāo)都處于正輸出截止電壓；起始電壓為負(fù)、終止電壓為正時，一段波形的縱坐標(biāo)都處于負(fù)輸出截止電壓。如圖3所示，橫坐標(biāo)是模擬輸出模塊的給定電壓，縱坐標(biāo)是運(yùn)算放大器輸出端電壓，運(yùn)算放大器輸出端至模擬輸入模塊AI端的線長對開環(huán)增益測試的影響圖，當(dāng)線長為10cm和17cm時，開環(huán)增益測試圖的零點(diǎn)都沒有發(fā)生偏移，而當(dāng)線長達(dá)到44cm時，開環(huán)增益測試圖的零點(diǎn)向橫坐標(biāo)正軸偏移1.5V。

　　圖3 開環(huán)增益測試線長度影響

　　如圖4所示，橫坐標(biāo)是模擬輸出模塊的給定電壓，縱坐標(biāo)是運(yùn)算放大器輸出端電壓，開環(huán)增益測試時，運(yùn)算放大器不接與接入10kΩ調(diào)整電位器的對比圖，接入10kΩ調(diào)整電位計會使得開環(huán)增益測試圖向橫坐標(biāo)負(fù)軸整體偏移-0.012V。調(diào)整電位器接在運(yùn)放兩個調(diào)零引腳之間，有些低端運(yùn)放沒有調(diào)零端，那就更加不可能有調(diào)整電位器。

　　圖4 調(diào)整電位器對開環(huán)增益影響

　　二、運(yùn)放直流轉(zhuǎn)移特性之失調(diào)電壓

　　運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓eos是指任意溫度、電源電壓和時間下，運(yùn)算放大器的輸入端為使輸出端歸零而需要零源阻抗提供的電壓。初始失調(diào)電壓Eos指250C及額定電源電壓下的失調(diào)電壓。在多數(shù)運(yùn)算放大器中，都提供了一定機(jī)制，用以通過兩個OFFSET引腳接入外部調(diào)整電位計將初始失調(diào)電壓調(diào)整為零。有些運(yùn)算放大器采用內(nèi)部調(diào)整方式，以便保證初始失調(diào)電壓通常為（±1mV）得到一定量的最大限制，換言之，在某些應(yīng)用中，外部調(diào)整電位計可以消除不用。

　　帶有兩個外部接入調(diào)整電位計引腳的運(yùn)算放大器，接入調(diào)整電位計，但是不在該電位計的中間端接入正向或負(fù)向電壓，再進(jìn)行開環(huán)增益測試時，開環(huán)增益測試圖第二段的線性斜率完全相同，縱坐標(biāo)為零時的橫坐標(biāo)值會發(fā)生偏移，向橫坐標(biāo)的負(fù)軸偏移，此種特定的實驗現(xiàn)象是由于運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路決定。

　　所述的失調(diào)電壓調(diào)整測試系統(tǒng)，包括：運(yùn)算放大器、電壓調(diào)理模塊、模擬輸入模塊，帶有兩個外接調(diào)整電位計的引腳并接入電位計的兩端，電位計的中間引腳接入正偏置電壓或負(fù)偏置電壓；運(yùn)算放大器的同相輸入端與地端連接、反向輸入端與輸出端連接，輸出端經(jīng)電壓調(diào)理模塊之后接入模擬輸入模塊的AI端。

　　電位計的中間引腳接入負(fù)偏置電壓時，電位計中間引腳從一端滑動向另一端，運(yùn)算放大器的輸出端電壓為負(fù)截止電壓，當(dāng)電位計中間引腳繼續(xù)滑動，直到運(yùn)算放大器輸出端電壓開始出現(xiàn)變化，繼續(xù)滑動，運(yùn)算放大器輸出端電壓能夠到達(dá)-2到-1V，繼續(xù)滑動，運(yùn)算放大器輸出端電壓就會跳變?yōu)檎刂闺妷?；此時，立刻將電位計中間引腳反向滑動，運(yùn)算放大器輸出端電壓并不立刻從正截止電壓跳變回負(fù)電壓，而是有一個遲滯現(xiàn)象，反向滑動電位計中間引腳，正截止電壓經(jīng)過遲滯后開始變小，直到1-2V后，電位計中間引腳繼續(xù)滑動，運(yùn)算放大器輸出端電壓跳變到負(fù)截止電壓；記錄兩次跳變時，電位計中間引腳的位置。

　　電位計的中間引腳接入正偏置電壓，運(yùn)算放大器輸出端電壓不會出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象且在10mV內(nèi)，為了增加測量準(zhǔn)確性，使用電壓調(diào)理模塊放大輸出端電壓，改善輸入/輸出阻抗，測試更加精確；電壓調(diào)理模塊放大100倍電壓優(yōu)選。

　　測試接線圖如圖5所示?；贓LVIS III實測，如圖5-2所示。

　　圖5 失調(diào)電壓連接圖

　　圖5-2 失調(diào)電壓實測圖

　　三、運(yùn)放交流特性之壓擺率

　　轉(zhuǎn)換速率或壓擺率SR：通常表示為v/μs，運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換速率定義為：運(yùn)算放大器連接成閉環(huán)條件下，將一個大信號(含階躍信號)輸入到運(yùn)算放大器的同相輸入端，從運(yùn)算放大器的輸出端測得上升和下降速率。由于在轉(zhuǎn)換期間，運(yùn)算放大器的輸入級處于開關(guān)狀態(tài)，所以運(yùn)算放大器的反饋回路不起作用，也就是轉(zhuǎn)換速率與閉環(huán)增益無關(guān)。

　　轉(zhuǎn)換速率對于大信號處理是一個很重要的指標(biāo)，對于一般運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換速率SR≤10V/us，高速運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率SR>10V/us。目前，高速運(yùn)算放大器最高轉(zhuǎn)換速率SR達(dá)到6000V/us。

　　所述的壓擺率測試系統(tǒng)，包括：方波信號、運(yùn)算放大器、示波器，運(yùn)算放大器的同相輸入端接入方波信號，方波信號的幅值取運(yùn)算放大器電源供電后的截止電壓為最優(yōu)，運(yùn)算放大器的反向輸入端與輸出端連接且輸出端接示波器觀測波形，示波器記錄運(yùn)算放大器輸出端波形與運(yùn)算放大器同相輸入端方波信號的變化，運(yùn)算放大器輸出端波形的上升沿和下降沿的斜率絕對值就是運(yùn)算放大器的壓擺率SR。

　　如圖6所示，壓擺率測試圖。基于ELVIS III實測及結(jié)果如圖6-2所示。

　　圖6 壓擺率仿真圖

　　圖6-2 壓擺率實測圖及實測結(jié)果

　　四、運(yùn)放交流特性之全功率帶寬

　　所述的全功率帶寬測試系統(tǒng)，包括：正弦波信號、運(yùn)算放大器、示波器，運(yùn)算放大器的同相輸入端接入正弦波信號；正弦波信號幅值為Vp，取運(yùn)算放大器電源供電后的截止電壓為最優(yōu)；運(yùn)算放大器反向輸入端與輸出端連接，運(yùn)算放大器輸出端接示波器觀測波形，記錄運(yùn)算放大器輸出端波形與同相輸入端正弦波信號的失調(diào)變化，記錄運(yùn)算放大器輸出端波形變?yōu)槿遣〞r的頻率F，并滿足公式：2π×頻率F×Vp ≥壓擺率SR。

　　如圖7所示，全功率帶寬測試仿真測試圖，如圖7-2為全功率帶寬測試結(jié)果圖。

　　圖7 全功率帶寬測試圖

　　圖7-2 全功率帶寬實測結(jié)果

　　五、運(yùn)放交流特性之單位增益帶寬

　　單位增益帶寬定義為：運(yùn)算放大器的閉環(huán)增益為 1 倍條件下，將一個恒定幅值的正弦波小信號輸入到運(yùn)算放大器的輸入端，從運(yùn)算放大器的輸出端測得閉環(huán)電壓增益下降3db（或是相當(dāng)于運(yùn)算放大器輸入信號的0.707倍）所對應(yīng)的信號頻率。

　　單位增益帶寬是一個很重要的指標(biāo)，對于正弦波小信號放大時，單位增益帶寬等于輸入信號頻率與該頻率下的最大增益的乘積，當(dāng)知道要處理的信號頻率和信號需要的增益后，計算出單位增益帶寬，用以選擇合適的運(yùn)算放大器。

　　例如，某個運(yùn)算放大器的單位增益帶寬=1MHz，若實際閉環(huán)增益=100倍，則運(yùn)算放大器處理小信號的最大頻率=1MHz/100=10kHz。

　　所述的單位增益帶寬測試系統(tǒng)，包括：頻率掃描的正弦波信號、運(yùn)算放大器、示波器，運(yùn)算放大器的同相輸入端接入正弦波信號；運(yùn)算放大器反向輸入端與輸出端連接，運(yùn)算放大器輸出端接示波器觀測波形，示波器記錄運(yùn)算放大器輸出端波形與同相輸入端正弦波信號并使用伯德圖分析函數(shù)，記錄噪聲幅值，并在該幅值的-3dB處記錄的頻率即為運(yùn)算放大器的單位增益帶寬；頻率掃描的正弦波信號的幅值選取50mV~ 500mV。

　　仿真及測試如下圖所示。圖8仿真圖，圖8-2仿真結(jié)果，圖8-3實測圖，圖8-4仿真與實測結(jié)果比較圖。

　　圖8 單位增益帶寬仿真圖

　　圖8-2 單位增益帶寬仿真結(jié)果

　　圖8-3 單位增益帶寬實測接線圖

　　圖8-4 單位增益帶寬仿真與實測比較圖

　　六、運(yùn)放交流特性之同相放大器增益帶寬積

　　運(yùn)算放大器，有同相輸入端和反相輸入端，輸入端的極性和輸出端是同一極性的就是同相放大器，而輸入端的極性和輸出端相反極性的則稱為反相放大器。

　　運(yùn)算放大器可以接成同相放大也可以接成反相放大，那使用同相放大好還是反相放大好呢？我們先來看同相放大和反相放大的區(qū)別：

　　同相放大器

　　優(yōu)點(diǎn)：輸入阻抗和運(yùn)放的輸入阻抗相等，接近無窮大。

　　缺點(diǎn)：放大電路沒有虛地，因此有較大的共模電壓，抗干擾能力相對較差，使用時要求運(yùn)放有較高的共模抑制比，另一個小缺點(diǎn)就是放大倍數(shù)只能大于1。

　　反相放大器

　　優(yōu)點(diǎn)：兩個輸入端電位始終近似為零（同相端接地，反相端虛地），只有差模信號，抗干擾能力強(qiáng)。

　　缺點(diǎn)：輸入阻抗很小，等于信號到輸入端的串聯(lián)電阻的阻值。

　　所述的同相放大器的增益帶寬積測試系統(tǒng)，包括：頻率掃描的正弦波信號、運(yùn)算放大器、示波器、電阻R1、電阻R2，運(yùn)算放大器的同相輸入端接入正弦波信號；增益倍數(shù)為：(1+R1/R2)，示波器記錄運(yùn)算放大器輸出端波形與同相輸入端正弦波信號并使用伯德圖分析函數(shù)，記錄噪聲幅值，并在該幅值的-3dB處記錄的頻率即為運(yùn)算放大器的帶寬，該帶寬與增益倍數(shù) (1+R1/R2)的乘以等于單位增益帶寬；頻率掃描的正弦波信號的幅值選取50mV~ 500mV。

　　如下圖所示，同相放大器的增益帶寬積仿真、實測電路及結(jié)果比較，的確，ELVIS III是一款科學(xué)測量神器，測試非常精細(xì)。

　　圖8 同相10倍增益帶寬積測試電路

　　圖8-2 同相10倍增益帶寬積仿真

　　圖8-3 同相100倍增益帶寬積測試圖

　　圖8-4 同相100倍帶寬積仿真結(jié)果

　　圖8-5 同相帶寬積實測接線圖

　　圖8-6 10倍帶寬積仿真與實測比較

　　圖8-7 100倍帶寬積仿真與實測比較

　　運(yùn)算放大器乃是模擬電路的起源，運(yùn)算放大器的理解細(xì)致入微，對接下來的模擬電路學(xué)習(xí)事半功倍，即便是高中生認(rèn)真學(xué)習(xí)也能輕松秒殺985本科畢業(yè)生。

　　其實還沒有結(jié)束。

　　七、集成的本地實驗或者高大上酷炫拽的遠(yuǎn)程虛擬實驗

　　如果對同學(xué)們動手能力要求偏低的學(xué)校，還可以選購運(yùn)算放大器集成參數(shù)實驗板-本地，如圖9所示。

　　圖9 運(yùn)算放大器集成參數(shù)實驗板-本地

　　如果實驗學(xué)生眾多的學(xué)校，還可以使用我們配套的運(yùn)算放大器集成參數(shù)實驗板-遠(yuǎn)程，如圖10所示，參數(shù)能夠遠(yuǎn)程控制。當(dāng)然，遠(yuǎn)程必須要搭配我們的測量神器NI ELVIS III平臺，如圖11所示。

　　圖10 運(yùn)算放大器集成參數(shù)實驗板-遠(yuǎn)程

　　圖11 搭載測量神器ELVIS III的遠(yuǎn)程實驗

　　創(chuàng)新型實驗設(shè)計，我們是專業(yè)滴。