基于JC-5600 ATE的單/雙電源運(yùn)算放大器測(cè)試方法

趙 樺，章慧彬

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無(wú)錫 214035）

1 引言

運(yùn)算放大器（Operational Amplifier）是一種具有高放大倍數(shù)、帶深度負(fù)反饋的放大電路，最早是由電子管、晶體管等分立器件構(gòu)成。當(dāng)集成電路出現(xiàn)后，運(yùn)算放大器于20世紀(jì)60年代被成功研制，成為最早應(yīng)用于實(shí)際的典型的線性集成電路。

JC-5600模擬集成電路測(cè)試系統(tǒng)控制軟件是在Windows XP環(huán)境下，利用Visual C++ 6.0作為系統(tǒng)開發(fā)工具開發(fā)的集成測(cè)試管理系統(tǒng)。測(cè)試系統(tǒng)軟件把包括測(cè)試處理、測(cè)試數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、測(cè)試程序管理、測(cè)試程序框架自動(dòng)生成等多種功能集成在一起，提供操作方便的用戶界面，使用者通過(guò)菜單、工具條，快捷鍵等操作程序，不需要對(duì)C++的編寫方法有很深的了解，系統(tǒng)自動(dòng)生成測(cè)試程序框架，并提供專用的測(cè)試函數(shù)。JC-5600模擬集成電路測(cè)試系統(tǒng)帶有一個(gè)專用的運(yùn)放包，可以用來(lái)測(cè)試運(yùn)算放大器、比較器等的電參數(shù)。

2 運(yùn)算放大器的特性參數(shù)

一般來(lái)說(shuō)集成運(yùn)算放大器的電參數(shù)分為兩類：直流參數(shù)和交流參數(shù)。直流參數(shù)主要包括失調(diào)電壓、偏置電流、失調(diào)電流、失調(diào)電壓調(diào)節(jié)范圍、輸出幅度、大信號(hào)電壓增益、電源電壓抑制比、共模抑制比、共模輸入范圍、電源電流十項(xiàng)。交流參數(shù)主要包括大信號(hào)壓擺率、小信號(hào)過(guò)沖、單位增益帶寬、建立時(shí)間、上升時(shí)間、下降時(shí)間六項(xiàng)。而其中電源電流、偏置電流、失調(diào)電流、失調(diào)電壓、輸出幅度、開環(huán)增益、電源電壓抑制比、共模抑制比、大信號(hào)壓擺率、單位增益帶寬這十項(xiàng)參數(shù)反映了運(yùn)算放大器的精度、速度、放大能力等重要指標(biāo)，故作為考核運(yùn)放器件性能的關(guān)鍵參數(shù)。

JC-5600模擬集成電路測(cè)試系統(tǒng)使用的是帶輔助放大器的測(cè)試方法，可以用來(lái)測(cè)試上面提到的直流和交流參數(shù)，其具體的原理圖如圖1。

圖1 運(yùn)放的輔助放大器測(cè)試方法原理圖

圖中運(yùn)放A為輔助放大器，DUT為被測(cè)運(yùn)放。輔助放大器應(yīng)滿足以下要求：

（1）開環(huán)增益大于60 dB；

（2）輸入失調(diào)電流和輸入偏置電流應(yīng)很?。?/p>

（3）動(dòng)態(tài)范圍足夠大。

從不同的角度，運(yùn)算放大器可以分為多類：

（1）從單片集成規(guī)模上可分為單運(yùn)放（如OP07A）、雙運(yùn)放（AD712）、四運(yùn)放（LM124）；

（2）從輸出幅度及功率上可分為普通運(yùn)放、大功率運(yùn)放（LM12）、高壓運(yùn)放（OPA445）；

（3）從電參數(shù)上可分為普通運(yùn)放、高精度運(yùn)放（如OP37A）、高速運(yùn)放（AD847）等。

使用JC-5600模擬集成電路測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)放包測(cè)試時(shí)，我們可以把運(yùn)放簡(jiǎn)單分為單電源運(yùn)放和雙電源運(yùn)放。在實(shí)際測(cè)試中，這兩種運(yùn)放的測(cè)試參數(shù)設(shè)置時(shí)存在著差異。具體差異將根據(jù)參數(shù)不同一一詳述。

圖2 失調(diào)電壓測(cè)試原理圖

3 單/雙電源運(yùn)算放大器測(cè)試方法分析

3.1 輸入失調(diào)電壓（VOS）和輸入失調(diào)電流（IOS）

3.1.1 定義

輸入失調(diào)電壓是運(yùn)放輸出電壓為零時(shí)（或針對(duì)單電源運(yùn)放測(cè)試規(guī)定值時(shí)），運(yùn)放兩輸入端間加的直流補(bǔ)償電壓。輸入失調(diào)電流是被測(cè)器件輸出電壓為零時(shí)（或針對(duì)單電源運(yùn)放測(cè)試規(guī)定值時(shí)），流入兩輸入端的電流之差。

3.1.2 測(cè)試方法

失調(diào)電壓（VOS）測(cè)試原理圖如圖2，圖中A為輔助放大器，其要求是閉環(huán)增益大于40 dB。由圖看來(lái)，只要接入被測(cè)器件（DUT），由于總體環(huán)路很強(qiáng)的負(fù)反饋?zhàn)饔?，被測(cè)器件的輸出能自動(dòng)調(diào)零。所以當(dāng)被測(cè)器件為雙電源運(yùn)算放大器時(shí)，圖2中的K4直接接地然后閉合相應(yīng)的繼電器開關(guān)就可以進(jìn)行測(cè)試了。

當(dāng)被測(cè)器件為單電源運(yùn)放時(shí)，電源中心值不為零。環(huán)路的負(fù)反饋?zhàn)饔貌荒苁贡粶y(cè)器件的輸出自動(dòng)調(diào)零，需進(jìn)行電源補(bǔ)償，所以圖2中的K4應(yīng)連接到VREF（即JC-5600系統(tǒng)的LVIS4），并設(shè)置VREF為-1.4 V（使被測(cè)器件輸出為+1.4 V），使被測(cè)器件的輸出在正常的范圍之內(nèi)，然后閉合與測(cè)試雙電源運(yùn)放時(shí)相同的繼電器就可以測(cè)試了。

JC-5600測(cè)試系統(tǒng)采用的輔助運(yùn)放環(huán)路放大倍數(shù)為401倍。此時(shí)就可以利用公式VOS=VO/401，VO為VL端輸出電壓，就可以得到VOS的大小。輸入失調(diào)電流（IOS）的測(cè)試方法與失調(diào)電壓類似。

3.2 電源電壓抑制比PSRR

3.2.1 定義

電源電壓抑制比為電源的單位電壓變化所引起的器件輸入失調(diào)電壓的變化率。

3.2.2 測(cè)試方法

當(dāng)被測(cè)器件為雙電源運(yùn)算放大器時(shí)，根據(jù)上面失調(diào)電壓的測(cè)量方法，測(cè)量?jī)蓚€(gè)不同電壓下的輸入失調(diào)電壓，即可得出該器件的電源電壓抑制比。

當(dāng)被測(cè)器件為單電源運(yùn)放時(shí)，測(cè)量不同電壓下的輸入失調(diào)電壓時(shí)都要先將圖2中的K4連接到VREF（即JC-5600系統(tǒng)的LVIS4），并設(shè)置VREF為-1.4 V（使被測(cè)器件輸出為+1.4 V），使被測(cè)器件的輸出在正常的范圍之內(nèi)，然后閉合相應(yīng)的繼電器進(jìn)行測(cè)量。

3.3 輸入偏置電流IB和靜態(tài)功耗PD

3.3.1 定義

輸入偏置電流是使被測(cè)器件輸出電壓為零（或規(guī)定值時(shí)——針對(duì)單電源運(yùn)放測(cè)試）時(shí)，流入兩輸入端的電流的平均值。靜態(tài)功耗是輸入端無(wú)信號(hào)且輸出端無(wú)負(fù)載時(shí)器件所消耗的電源功率。

3.3.2 測(cè)試方法

輸入偏置電流IB的測(cè)試，測(cè)試原理圖與測(cè)IOS的原理圖完全一樣。當(dāng)被測(cè)器件為雙電源運(yùn)放時(shí)，環(huán)路的負(fù)反饋?zhàn)饔檬贡粶y(cè)器件的輸出自動(dòng)調(diào)零，即輸出電壓為零。此時(shí)只要閉合相應(yīng)的繼電器即可測(cè)量。

當(dāng)被測(cè)器件為單電源運(yùn)放時(shí)，環(huán)路的負(fù)反饋?zhàn)饔镁筒荒苁贡粶y(cè)器件的輸出自動(dòng)調(diào)零了，要先在測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)放包里的LVIS4上加一電壓使其輸出電壓為零，即圖2中的K4應(yīng)連接到VREF，并設(shè)置VREF為-1.4 V（使被測(cè)器件輸出為+1.4 V），使被測(cè)器件的輸出在正常的范圍之內(nèi)，然后閉合相應(yīng)的繼電器進(jìn)行測(cè)量。靜態(tài)功耗的測(cè)試方法與偏置電流測(cè)試方法類似。

3.4 大信號(hào)壓擺率（轉(zhuǎn)換速率Sr）和單位增益帶寬

3.4.1 定義

大信號(hào)壓擺率是輸入端在施加規(guī)定的大信號(hào)階躍脈沖電壓時(shí)，輸出電壓隨時(shí)間的最大變化率。單位增益帶寬是使運(yùn)放開環(huán)增益為1（0 dB）時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸入頻率。

3.4.2 測(cè)試方法

當(dāng)被測(cè)器件為雙電源運(yùn)放時(shí)，其電壓中心值為零。可以通過(guò)運(yùn)放包上的電路測(cè)量運(yùn)算放大器大信號(hào)壓擺率。此時(shí)在運(yùn)放的正向輸入端或負(fù)向輸入端施加規(guī)定的大信號(hào)階越脈沖電壓（另外一端接地）時(shí)，運(yùn)算放大器輸出端可以輸出一個(gè)隨時(shí)間變化的電壓信號(hào)。

當(dāng)被測(cè)器件為單電源運(yùn)放時(shí)，其電壓中心值為電源電壓的一半，JC-5600測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)放包無(wú)法實(shí)現(xiàn)電源電壓調(diào)零，此時(shí)對(duì)運(yùn)放的正向輸入端或負(fù)向輸入端施加規(guī)定的大信號(hào)階越脈沖電壓（另外一端接地）時(shí)，運(yùn)算放大器輸出端無(wú)法輸出一個(gè)隨時(shí)間變化的電壓信號(hào)。單位增益帶寬的測(cè)量也存在相同的情況，所以大信號(hào)壓擺率和單位增益帶寬都無(wú)法測(cè)量。

綜合以上分析，可用表1來(lái)說(shuō)明運(yùn)算放大器在單電源工作和雙電源工作時(shí)一些特性參數(shù)的測(cè)試方法。比較器在測(cè)試下列的特性參數(shù)時(shí)也適用這個(gè)表格。

表1 特性參數(shù)測(cè)試方法對(duì)比表

4 結(jié)論

運(yùn)算放大器作為一個(gè)基礎(chǔ)元器件，它以其成本低、用途廣泛、互換性好等優(yōu)點(diǎn)而帶來(lái)了急劇增加的市場(chǎng)需求量。而JC-5600模擬集成電路測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)放包在測(cè)試運(yùn)放特性參數(shù)方面的優(yōu)越性，使得其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

[1] 郭元章，劉文濤.低功耗CMOS限幅放大器的應(yīng)用[C].中國(guó)光電產(chǎn)業(yè)高層論壇論文集，2006.

[2] 童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2007.