運(yùn)算放大器測(cè)試基礎(chǔ)知識(shí)（1）： 三種測(cè)試電路拓?fù)鋵?duì)運(yùn)算放大器DC參數(shù)測(cè)試

1979 年 1 月，《電子測(cè)試》發(fā)表了一篇文章稱，一款單個(gè)測(cè)試電路可“執(zhí)行對(duì)任何運(yùn)算放大器全面檢查所需的所有標(biāo)準(zhǔn) DC 測(cè)試”（參考資料 1）。單個(gè)測(cè)試電路在那個(gè)時(shí)候可能夠用，但今天并非如此，因?yàn)楝F(xiàn)代運(yùn)算放大器具有更全面的規(guī)范。因此，單個(gè)測(cè)試電路不再包攬所有 DC 測(cè)試。

現(xiàn)在經(jīng)常使用三種測(cè)試電路拓?fù)鋵?duì)運(yùn)算放大器 DC 參數(shù)進(jìn)行工作臺(tái)及生產(chǎn)測(cè)試。這三種拓?fù)錇?(1) 雙運(yùn)算放大器測(cè)試環(huán)路、(2) 自測(cè)試環(huán)路（有時(shí)稱故障求和點(diǎn)測(cè)試環(huán)路）和 (3) 三運(yùn)算放大器環(huán)路。您可使用這些電路測(cè)試 DC 參數(shù)，其中包括靜態(tài)電流 (IQ)、電壓失調(diào) (VOS)、電源抑制比 (PSRR)、共模抑制比 (CMRR) 以及 DC 開(kāi)環(huán)增益 (AOL)。

靜態(tài)電流

靜態(tài)電流是指器件輸出電流等于零時(shí)其所消耗的電流。盡管 IQ 測(cè)試看起來(lái)相當(dāng)簡(jiǎn)單，但也必須注意確保良好的結(jié)果，尤其是在處理極高或極低 IQ 部件時(shí)。圖 1 是可用來(lái)測(cè)試 IQ 及其它參數(shù)的三種實(shí)用電路，其必須考慮若干負(fù)載電流情況。這包括測(cè)試環(huán)路中的反饋電流。實(shí)際上，反饋電阻器 Rf 也能給器件帶來(lái)負(fù)載，影響 IQ 測(cè)量。

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圖 1.這三款電路可用來(lái)測(cè)量靜態(tài)電流 (IQ) 。

我們以測(cè)試 OPA369 運(yùn)算放大器為例來(lái)說(shuō)明這些電路。該部件的最大靜態(tài)電流是每通道 1μA。最大輸入失調(diào)電壓為 750μV。圖 1 中的雙運(yùn)算放大器環(huán)路電路可為被測(cè)試器件的輸出提供 750.75mV 的電壓。這種輸入電壓可使 Rf 通過(guò) 15μA 的電流。該電流來(lái)自電源，會(huì)給任何測(cè)量增加誤差。因此在進(jìn)行 IQ 測(cè)量之前，必須采取措施確保輸出電流真的等于零。

自測(cè)試電路不是測(cè)量極低靜態(tài)電流的最高效電路，因?yàn)檩敵霰仨毺峁┓答侂娏?。在該?shí)施過(guò)程中，輸出必須根據(jù)增益后的電壓失調(diào) VOS 調(diào)整（并非易事），或者需要斷開(kāi)以上原理圖中的 50Ω 電阻器，以消除反饋電流。雙放大器環(huán)路可通過(guò)增加另一個(gè)放大器來(lái)達(dá)到零輸出要求。精心選擇低輸入偏置電流環(huán)路放大器，可使輸出電流產(chǎn)生的誤差非常小。

此外，三運(yùn)算放大器環(huán)路也可幫您測(cè)量 IQ，但要注意被測(cè)量器件輸出端的 1MΩ 電阻器，這將成為一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)闊o(wú)論測(cè)量哪種參數(shù)，它總是一個(gè)寄生負(fù)載。如果測(cè)量輸出負(fù)載電流，該電阻器就代表一個(gè)附加負(fù)載。此外，還必須考慮該電阻器的噪聲問(wèn)題，在 0.1Hz 至 10kHz 的頻率下 1MΩ 電阻器的噪聲為 85μVp-p。使用 100kΩ 電阻器可將噪聲降低至 27μVp-p。因此，降低電阻器值可降低噪聲，但被測(cè)量器件輸出端的寄生電阻器負(fù)載隨后會(huì)更明顯。

電壓失調(diào)

VOS 測(cè)試是測(cè)量運(yùn)算放大器大多數(shù)其它 DC 技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)。因此要格外注意測(cè)試電路，以確保在測(cè)試其它參數(shù)時(shí)電路也能良好工作。如果沒(méi)有選擇好該測(cè)試配置，會(huì)影響到其它 DC 測(cè)量。

VOS 的定義方式有多種，常見(jiàn)方式包括：“無(wú)輸入信號(hào)或無(wú)電源電阻時(shí)提供零輸出電壓所需的差分 DC 輸入電壓”（參考資料 2），或者“在任一輸入端至接地的路徑中無(wú)其它輸入信號(hào)及電阻為零時(shí)提供零輸出電壓所需的差分 DC 輸入電壓”（參考資料 3）。另一種定義方式為“在輸入偏置電流為零時(shí)在運(yùn)算放大器輸出端提供零電壓所需的差分 DC 輸入電壓”，這是測(cè)量輸入失調(diào)電壓的理想理論方法，并不具有實(shí)踐意義，因?yàn)榱爿斎肫秒娏鞯倪\(yùn)算放大器并不存在。

根據(jù)以上定義，您既可將低輸出、高精度、高分辨率的可變電壓電源連接至運(yùn)算放大器的輸入端，也可調(diào)節(jié)輸入電壓，直到輸出電壓為零。那么輸入失調(diào)電壓就只是所應(yīng)用輸入電壓的反選。

這種方法存在兩個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。在測(cè)試具有極高開(kāi)環(huán)增益的運(yùn)算放大器時(shí)，必須確保電壓電源的分辨率小于 1 微伏才能保證獲得任意程度的可重復(fù)性。此外，還必須使用迭代接近法使輸出電壓為零。系統(tǒng)中的噪聲會(huì)耦合到電壓電源和運(yùn)算放大器中，使高速自動(dòng)化測(cè)試環(huán)境下的測(cè)量和控制幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

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圖?2.?使用該電路測(cè)量電壓失調(diào) VOS。

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由于理想方法的這些問(wèn)題，因此在工作臺(tái)測(cè)試環(huán)境下所選擇的常用方法是將被測(cè)試器件放在反相增益配置中，如圖 2 所示。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于不僅被測(cè)試器件很穩(wěn)定，而且通常不需要額外的補(bǔ)償。

此外，測(cè)試電路可能還需要在非反相輸入與接地之間提供一個(gè) 50Ω 電阻器，以抵消輸入偏置電流。不過(guò)，對(duì)于輸入偏置電流極低的運(yùn)算放大器而言，該電阻器的唯一真正“貢獻(xiàn)”就是增加噪聲。對(duì)于 100pA 的器件來(lái)說(shuō)，沒(méi)有該電阻器時(shí)附加誤差只有 0.005μV。這種抵消作用只有在偏置電流的方向和量級(jí)都相等時(shí)才起作用。

圖 2 中的電路是圖 1 中自測(cè)試求和點(diǎn)方法的簡(jiǎn)略，但沒(méi)有電阻器 R1 和 R2。該電路對(duì)大多數(shù)運(yùn)算放大器來(lái)說(shuō)具備固有的穩(wěn)定性，其通?？蓧旱谷魏螡撛诘牟蛔悖怪蔀槭走x測(cè)試電路。

如果使用圖 2 中的測(cè)試電路進(jìn)行其它測(cè)試，其缺點(diǎn)就會(huì)顯現(xiàn)。例如，圖 2 中的電路會(huì)對(duì)測(cè)量 IQ 和 AOL 等其它參數(shù)產(chǎn)生影響。

這種未驅(qū)動(dòng)的電路會(huì)導(dǎo)致 VOS 誤差，誤差值等于（VOS* 閉環(huán)增益）* AOL（單位是V/V）。該誤差可能無(wú)關(guān)緊要，也可通過(guò)應(yīng)用適當(dāng)?shù)?VIN 使 VOUT 為 0.0V 來(lái)降低。

可使用以下計(jì)算公式 1 調(diào)整所需輸出的輸出端誤差補(bǔ)償公式。

VOUT = (2 * ASJ + ACL - ASJ) * VOUT（理想） （公式 1）