试验28运算放大器

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1、實驗28線性運算放大器之特性實驗目的1. 測量輸入偏壓電流 (Input Bias Current)。2. 測量輸出偏移電壓(Output Bias Voltage)，並調整使其為零。3. 計算 741之延遲率 (Slew Rate)。4. 觀察功率頻帶寬(Power Band Width)之效應。實驗器材兩部 15V 之電源供應器。信號產生器、示波器。電阻:100 02; 1KQ ; 10KQ; 100KQ ;200K 凶;I M 区 3。電位器:5K 0。DPAmp:741C3。電容:1 H X 2, 10 aF X 2。基本原理圖 28-1為一簡化之 741運算放大器之內部線路圖。輸入級

2、Q1及Q2組成一差動放大器，其偏壓是由定電流源 Q14所提供(如實驗25中之討論），此放大器推動由Q3, Q4所組成之主動負載。由圖圖28-1741及典型運算放大器之簡化電路圖中及以上之分析可知，當信號 Vin輸入時，將產生一放大之電流注入Qs之基極。第二級與第三級第二級為一射極隨耦器，由Qs組成。其功用是將第三級 Q6之輸 入阻抗提升B倍。Q6電晶體為輸出級之驅動器（Driver）。輸出級最後一級是由Q9及Qio, o所組成的B類推挽式射極隨耦器。由於信號是對稱供應給Q9及Qio,因此在理論上當沒有信號輸入時，輸 出為0 V。Q11是輸出偏壓電路的一部份，其提供很小的閒置狀態電流(Idlin

3、g Current)並可消除交越失真(Crossover Distortion)。Q7及Q8是補償二極體，其電流一電壓之特性曲線與Q9及Qio電晶體之基一射極特性曲線相同，主要是補償溫度的變化，以避免因溫 度改變而造成閒置狀態電流過度的增加。補償電容Cc稱為補償電容，其典型值為 30pF,其對頻率響應有顯著之影 響，而且亦可避免發生振盪現象。主動負載至目前為止，吾人所討論的CE級均使用一被動負載(如電阻器、 變壓器等等)。而在圖28-1，我們看到以CE級(QQ來推動主動負載 (Q11)之實例。Qu為一定電流源(Constant Current Source)理論上其輸 入阻抗為無窮大，因此任何

4、 Q6之輸出電流均強迫流入最後的輸出級 電晶體 Q9 或 Q10。由於在晶片上製造電晶體要比電阻要來的便宜及容易 ，因此主動 負載在積體電路(Integrated Circuit; IC)中使用極為普遍。金屬氧化物 半導體(Metal-Oxide Semi-Conductor; MOS)數位積體電路中，幾乎均 使用主動負載 ;在這些 IC 中，一個 MOSFET 為另一個 MOSFET 之負 載。輸入偏壓電流 (Input Bias Current)圖 28-l 是運算放大器內部之等效電路。為使其能正常運作，除了 供應Vcc及Vee電源之外，尚須在輸入基極端接上一些外部的直流迴 路。換言之，由

5、於電源供應必有一端接地，所以Qi及Q2之基極電流亦須流至接地點，以構成一完整的迴路。在輸入端接上兩個等值電阻時 ，可以得到兩個幾乎完全相等的基 極電流。而當這兩個僅有些微差距的基極電流流經輸入端之外接電阻 時，將產生一微小的差動輸入電壓，經放大之後，此一無效的輸入信 號將在輸出端產生一輸出偏移電壓(Output Ofset Valtage)。在一般資 料手冊中所列的輸入偏壓電流是兩輸入基極電流之平均值。因此，由 輸入偏壓電流的大小，也可知道輸入電流之大約值。而輸入偏壓電流 愈小，產生輸出端電壓偏移的可能性就愈小。 741的最大輸入偏壓電 流為500nA,這在許多的應用中均足以適用。輸入偏移電流

6、 (Input Offset Current)若以一共同之信號源來推動輸入端時 ,兩輸入電流之差即是所謂 的輸入偏移電流,其代表兩輸入電流差異之大小。 741 之最大輸入 偏移電流為20nA，這即表示兩個基極電流之差異最大為 20nA。一般 而言,愈好的運算放大器其輸入偏移電流愈小。輸入偏移電壓 (Input Offset Voltage)一個理想運算放大器當其反向(Inverting)及非反向(Non-inverting) 輸入端之電壓差為零時，輸出應為零伏。但實際情況並非如此，其輸 出端可能呈現一不為零之電壓，此輸出偏移電壓是由於內部電路的不 匹配、誤差、等原因所造成。換言之，若吾人嚐試將

7、反向及非反向輸 入端短路，以消除輸入偏壓電流之效應時，在輸出端仍可能有一不為 零之偏移電壓。為使輸出偏移電壓為零伏而在輸入端所必須加入之電壓稱為輸 入偏移電壓。以741為例，其輸入偏移電壓為 5mV;此表示在沒有外加信號的情況下，為了使輸出電壓確實達到零伏，則必須在反向及非反向輸入端之間提供5mV之電壓。如實驗25中之討論，一差動放大器之 CMRR值定義如下:CMRR二A DMA CM(28-1)741之CMRR值約為30,000。這表示在741之輸出端所獲得的 共模輸入信號之放大倍率將只有差模輸入信號放大倍率的1/30000。大部份的干擾，如靜電、漣波及感應雜訊等，均足以共模信號的 形式輸入

8、運算放大器。因此，與以差模形式；輸入放大器的信號相較 起來，干擾信號的放大倍率可謂微乎其微。延遲率(Slew Rate; Sr)在運算放大器的各項規格之中，對於交流運作 (ac operatio n)影響最大的是延遲率，因其對大信號工作扮演一極嚴格的限制。延遲率定 義為 輸出電壓的最大改變速率”以741為例，其典型值為0.5V/卩s 這表示741的輸出電壓改變速率最大為每微秒0.5伏特。如圖28-2所示，若在741輸入端加入一大的步級信號(Large Step Signal;圖)則將產生如圖(b)中之延遲輸出。輸出端由0V升至10V 約需20而一般741放大器不可能有此這更快的變化速率。造成

9、延遲的主因是來至於補償電容Cc，因為在輸出電壓增加以前必須對此電容加以充電。我們可以推論出正弦信號的延遲率。如圖28-3a所示為一峰值=10V之正弦波。只要正弦波的起始斜率(Slope)小於或等於Sr,則就 無延遲率的限制。但若起始斜率大於 Sr,在輸出端將獲得如圖28-3b 的失真信號，此信號有點類似三角波，而若輸入信號頻率愈高，則輸 出信號之擺幅就愈小，而且愈像三角波。overdrive圖28-2步級信號輸入及其延遲輸出圖28-3正弦波之延遲率失真頻寬(B andwidth)當正弦輸入信號的起始斜率大於運算放大器的延遲率時，在其輸出端的信號就會產生失真的現象。因此放大器在不產生失真的最大工

10、作頻率為maxSr2n/p(28-2)其中fmax。二最咼不失真頻率。Sr=運算放大器之延遲率。Vp=輸出正弦波之峰值電壓以下舉個例子加以說明。如果輸出正弦波的峰值為10V,而運算放大器之Sr=0.5V/仏S則此放大器的大信號工作頻率最高為：max加=7曲頻率fmax稱為運算放大器之頻寬。從上面的例子我們發現741的10V頻寬大約等於8KHz，這表示大信號工作之頻寬為 8KHz，若嚐試在相同的電壓峰值下提高信號頻率，將產生一延遲率失真的輸出信號。變通方式提高頻寬的辦法之一是降低輸出電壓之峰值。在圖28-4中是利用(28-2)式以三種不同的延遲率所繪製。藉由降低輸出電壓之振幅，可以改善頻寬。例如

11、，若峰值電壓為1V,則741的頻寬可以增加至80KHZ。又若一放大器之SR=50V/ s如圖中最上面的曲線所示)，則其10V之頻寬為800KHZ,而1V頻寬增圖28-4以電壓振幅換取頻寬摘要1.741 之第一級為差動放大器。2.741 之輸出級為 B 類推挽式射極隨耦器。以提供小量閒置狀態電流 來消除交越失真。3.741 之部份工作級採用主動負載。即其以電晶體而不是以電阻當成 負載。4. 運算放大器之內部補償電容控制了頻率響應並避免產生振盪。5. 輸入偏壓電流是在沒有輸入信號時，運算放大器輸入級兩電晶體基 極電流之平均值。6. 輸入偏移電流是指兩基極電流之差值。7. 輸入偏移電壓是指在輸入端無

12、信號時，為使輸出端得到0V 之輸出，在輸入端必須加入之電壓。8. 運算放大器之 CMRR 值定義為差模電壓增益與共模電壓增益之比 值。9. 延遲率定義為運算放大器輸出電壓之最大改變速率。741 典型之延遲率為0.5V/匕s10. 運算放大器之頻寬是指其最高之不失真工作頻率;其與延遲率成正比而與輸出電壓振幅成反比。11.741 之 10V 頻寬約為 8KHz 。增加頻寬的方式之一是降低輸出信 號之振幅，而另一方式是選用具有較高延遲率的運算放大器。自我評量藉由回答下列問題，衡量自己的學習成效。1.741 之輸入級是一個 放大器。2.741 之輸出級為一 B 類射極隨耦器。3.741 部份工作級使用

13、 負載，此表示其以 而不是以電阻為負載。4. 輸入偏壓電流是在沒有輸入信號時，輸入級兩電晶體基極電流之 值。5. 輸入 電流是指兩基極電流之差。6. 輸入電壓是指在輸入端無信號時，為使輸出端獲得0 V輸出， 在輸入端必須加入之電壓。7. 運算放大器之 CMRR 值定義為 電壓增益與 電壓增益之比值。8.741之率為0.5V/匕s這指的是的最大改變速率。9.頻寬指的是放大器之 不失真工作頻率。而其是決定於運算放大器的 率及輸出信號之 。,00凶cT _T10161示波器DC 叭 PUT圖28-5測量輸入偏壓電流之電路實驗程序輸入偏壓電流1. 如圖28-5a連接電路。2因為所欲量測之電壓範圍約在數

14、毫伏，故利用示波器來量測較為方便。3. 將示波器之垂直輸入端接至放大器之反向輸入端。（如果所見之波形 有雜訊或漣波產生，則如圖28-5b所示加入一濾波器，其可使直流過 而阻絕交流成份。）在表28-1中記錄直流電壓之值。4. 將A點接至非反向輸入端，並將其電壓值記錄於表28-1。5. 更換第二顆741C,重複步驟3、4。6更換第三顆741C，重複步驟3、4。7就表28-1之結果，利用歐姆定律（Ohms Law），計算出第一個741C之輸入電流，將此二個輸入電流之平均值記錄於表28-2。（此即廠商所稱之輸入偏壓電流”）8. 重複步驟7計算出另兩個741C之輸入偏壓電流表28-1直流迴路電壓Inve

15、rtingNoninvertingFirst7 41CSeco nd 7 41CThird7 41C表28-2偏壓電流之計算Input Bias CurrentFirst7 41CSecond7 41CThird7 41C輸出偏移電壓9. 如圖28-6a連接電路。量測第六腳之直流輸出電壓，將結果記錄於表 28-3。10更換第二顆及第三顆741C，重複步驟9。11如實驗27中之討論，電壓增益約等於回授電阻與輸入電阻之比 值。故在圖28-6a中之電壓增益約為1000。就表28-3之輸出電壓, 利用下列公式可以計算出輸入偏移電壓。Vin =Vout1000(28-3)將此結果記錄於表28-3中12. 如圖28-6b所示，在電路中加入5KQ之電位器。利用示波器觀察輸出電壓（腳六）。調整電位器直到輸出偏移電壓為 0 V。（這就是消除輸