THS4271集成電路實(shí)驗(yàn)特性及其應(yīng)用

摘要：以TI公司生產(chǎn)的集成運(yùn)放THS4271為基礎(chǔ)搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試電路，在定義的條件下實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)量了運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓UIO，輸入失調(diào)電流IIO，共模抑制比CMRR，開環(huán)差模放大倍數(shù)AUd等主要參數(shù)。同時(shí)對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析?；赥HS4271的單位增益穩(wěn)定，低失真，高壓擺率等特性，舉出幾個(gè)應(yīng)用實(shí)例，來(lái)說(shuō)明其在某些工程領(lǐng)域有一定的應(yīng)用價(jià)值，供今后的使用者參考。

關(guān)鍵詞：THS4271；集成運(yùn)放；實(shí)驗(yàn)；應(yīng)用

雖然經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，在現(xiàn)代集成電路與系統(tǒng)芯片(Systemon Chip，SoC)中，集成電路運(yùn)算放大器的應(yīng)用依然非常廣泛，并往往由應(yīng)用需要對(duì)其性能提出苛刻的要求。因此圍繞高性能集成電路運(yùn)算放大器的研究經(jīng)久不衰。文中結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目的需要，對(duì)THS4271集成運(yùn)放的主要參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)結(jié)果和其應(yīng)用進(jìn)行了討論，利于今后實(shí)驗(yàn)的開展，同時(shí)為器件的使用者提供參考。

1 芯片介紹

THS4271是TI公司生產(chǎn)的低噪聲，高壓擺率，單位增益穩(wěn)定電壓反饋放大器，其設(shè)計(jì)正常工作電壓范圍是5～15 V。兼有低噪聲，高壓擺率，寬帶寬，低失真以及單位增益穩(wěn)定的特性，使得THS4271具有高性能的表現(xiàn)。此放大器的使用者可以在一個(gè)較寬的頻帶上獲得實(shí)驗(yàn)所需的較高的動(dòng)態(tài)范圍，而不必為放大器在失償期間的穩(wěn)定性擔(dān)憂。該系列的放大器的封裝形式有SOIC，帶有PowerPAD的MSOP，以及帶PowerPAD無(wú)引線的MSOP。THS4271典型特征參數(shù)如表1所示。

THS4271原件形狀，引腳分布及各引腳功能如圖1所示。(其中NC代表懸空)

2 實(shí)驗(yàn)原理

2．1 輸入失調(diào)電壓

理想運(yùn)算放大器(簡(jiǎn)稱運(yùn)放)的輸入信號(hào)為零時(shí)，其輸出直流信號(hào)也應(yīng)該為零。但實(shí)際上如果沒有外界的調(diào)零措施，由于運(yùn)放內(nèi)部參數(shù)不完全對(duì)稱，輸出電壓往往不為零。這種輸入為零時(shí)輸出不為零的現(xiàn)象稱為集成運(yùn)放的失調(diào)。

在室溫和標(biāo)準(zhǔn)電源電壓下，為了使輸出端的直流電壓為零，必須先在輸入端加一個(gè)直流電壓作為補(bǔ)償電壓，以抵消偏離零點(diǎn)的輸出電壓，而這個(gè)加在輸入端的電壓即被稱為輸入失調(diào)電壓UIO。顯然，UIO數(shù)值越小，說(shuō)明運(yùn)放的參數(shù)對(duì)稱性越好。

2．2 輸入失調(diào)電流

運(yùn)放的偏置電流是指運(yùn)放輸入級(jí)差分對(duì)管的基極電流IB1和IB2，由于晶體管參數(shù)的分散性，IB1≠IB2。當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，運(yùn)放的兩個(gè)輸入端的基極偏置電流之差稱為輸入失調(diào)電流，IIO，即IIO=|IB1-IB2|。顯然，IIO的存在將使輸出端零點(diǎn)偏移，信號(hào)源阻抗越高，失調(diào)電流影響越嚴(yán)重。

2．3 共模抑制比

共模抑制比是用來(lái)表征運(yùn)放對(duì)共模信號(hào)抑制能力大小的參數(shù)。定義為運(yùn)放的差模電壓放大倍數(shù)Ad與共模電壓放大倍數(shù)Ac之比：CMRR=Ad ／Ac；用分貝表示：CMRR=20lg(Ad／Ac)dB。共模抑制比在應(yīng)用中是一個(gè)很重要的參數(shù)，理想運(yùn)放對(duì)輸入的共模信號(hào)輸出為零，但在實(shí)際的集成運(yùn)放中，其輸出不可能沒有共模信號(hào)的成分，輸出端共模信號(hào)越小，說(shuō)明電路對(duì)稱性越好，運(yùn)放對(duì)共模干擾信號(hào)的抑制能力越強(qiáng)，即CMRR越大。

2．4 開環(huán)差模放大倍數(shù)

集成運(yùn)放在沒有外部反饋時(shí)的直流差模放大倍數(shù)稱為開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)，用Aud表示。定義為開環(huán)輸出電壓幅值UO與兩個(gè)差分輸入端之間所加信號(hào)電壓幅值Uid之比：AUd=UO／Uid。

3 測(cè)試電路，數(shù)據(jù)及分析

3．1 輸入失調(diào)電壓測(cè)量

失調(diào)電壓測(cè)試電路原理圖如圖2所示。閉合開關(guān)S1及S2(實(shí)驗(yàn)時(shí)用導(dǎo)線代替)，使電阻Ra短接，測(cè)量此時(shí)的輸出電壓UO即為輸出失調(diào)電壓，換算到輸入端，可得輸入失調(diào)電壓UIO=R1·UO／(R1+Rf)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量UO=385 mV，帶入上式可得UIO=3．85mV。

3．2 輸入失調(diào)電流測(cè)量

輸入失調(diào)電流IIO的大小反映了運(yùn)放內(nèi)部差動(dòng)輸入級(jí)兩個(gè)晶體管β的適配度，由于IB1和IB2本身的數(shù)值很小(大約在微安級(jí)別)，因此他們的差值通常不是直接測(cè)量的，測(cè)試電路原理如圖2所示。

IIO的測(cè)量分兩步：

1)閉合開關(guān)S1和S2，在低輸入電阻下，測(cè)出輸出電壓為UO1，其中UO1=(R1+Rf)·UIO／R1，如前所述，這就是由輸入失調(diào)電壓UIO引起的輸出電壓。

2)斷開S1和S2，兩個(gè)輸入電阻RB接入電路，測(cè)得此時(shí)的輸出電壓為UO2。由于RB阻值較大，流經(jīng)它們的輸入電流IB1、IB2的差異將變成輸入電壓的差異，即IIO·RB=|IB1-IB2|·RB，考慮同時(shí)存在的輸入失調(diào)電壓的影響，可得UO2=(UIO+IIO·RB)·(R1+RF)／R2。

綜上所述，將兩次測(cè)得的數(shù)據(jù)UO1=0．392 V和UO2=0．693 V代入IIO=(UO2-UO1)·R1／RB(R1+Rf)，即可得到電路的輸入失調(diào)電流IIO=11 1．16 nA。

3．3 共模抑制比測(cè)量

共模抑制比測(cè)量電路如圖3所示。集成運(yùn)放在閉環(huán)狀態(tài)下的差模電壓放大倍數(shù)為Ad=Rf／R1，當(dāng)接入共模輸入信號(hào)幅值為UiC時(shí)，測(cè)得輸出幅值為UOC，則共模電壓放大倍數(shù)為Ac=UOC／UIC，得到共模抑制比CMRR=Ad／AC=Rf·UIC／(R1·UOC)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得，Ac=2.4，則CMRR=32.4 dB。

3．4 開環(huán)差模放大倍數(shù)

由于集成運(yùn)放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)很高，難以直接進(jìn)行測(cè)量，一般采用閉環(huán)電路。Aud的測(cè)試方法很多，現(xiàn)采用交，直流同時(shí)閉環(huán)的測(cè)試方法，如圖4所示。被測(cè)運(yùn)放一方面通過(guò)Rf，R1，R2完成直流閉環(huán)，以抑制輸出電壓漂移，另一方面通過(guò)Rf和Rs實(shí)現(xiàn)交流閉環(huán)，外加信號(hào)Us經(jīng)R1、R2分壓，使Ui足夠小，以保證運(yùn)放工作在線性區(qū)，同相輸入端電阻R3應(yīng)與反相輸入端電阻R2相匹配，以減小輸入偏置電流的影響，電容C為隔直電容。被測(cè)運(yùn)放的放大倍數(shù)Aud=UO／Ui=(1+R1+R2)*UO／Ui，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，Aud=50．81dB。

3．5 測(cè)試時(shí)需要考慮的問題

3．5．1 輸入信號(hào)選擇

交直流均可，但要注意所選信號(hào)頻率和幅度，同時(shí)考慮運(yùn)放的頻率響應(yīng)特性和輸出幅度的限制。運(yùn)放工作在非線性區(qū)，輸入頻率過(guò)高，幅度過(guò)大等都會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的偏差。

3．5．2 調(diào)零

為提高運(yùn)算精度，在運(yùn)算前，應(yīng)首先對(duì)直流輸出電位進(jìn)行調(diào)零，即保證輸入為零時(shí)，輸出也為零。因THS4271沒有調(diào)零端子，實(shí)驗(yàn)時(shí)如果需要調(diào)零可采取如圖5中的(a)，(b)兩種方式進(jìn)行，只需按組件要求接入調(diào)零電位器RP，細(xì)心調(diào)節(jié)RP，使UO為零，即可實(shí)現(xiàn)調(diào)零。輸入端失調(diào)值為零，也會(huì)減小對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。

3．5．3 消振

集成運(yùn)放自激時(shí)，表現(xiàn)為輸入為零，也會(huì)有輸出，使運(yùn)放的各種運(yùn)算功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞器件。消振方法：可以通過(guò)外接RC補(bǔ)償電路；合理布局電路走線和元器件位置以減少分布電容；在電源線和地之間接入適合的電容減小電源引線的影響。

4 THS4271的應(yīng)用實(shí)例

4．1 輸出緩沖器

THS4271可以作為數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC5675輸出端的緩沖器。圖6給出了THS4271配置成差分放大電路，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換器5675由差分雙端輸入到單端輸出的轉(zhuǎn)換過(guò)程。

4．2 有源濾波

由于THS4271具有高壓擺率，寬帶寬特性以及電壓反饋的結(jié)構(gòu)，可以用它來(lái)實(shí)現(xiàn)高頻有源濾波器。各階的濾波器，不論低通，高通，帶通，帶阻在配置好相應(yīng)的輔助元件后，都可以實(shí)現(xiàn)。圖7給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的兩極點(diǎn)低通濾波器，極點(diǎn)位置在100MHz。

4．3 無(wú)線通信接收機(jī)

同時(shí)使用一對(duì)THS4271構(gòu)成電路，可以實(shí)現(xiàn)高速，低失真，低噪聲的差分接收電路。兩個(gè)放大器同時(shí)工作在同相模式下，電路從負(fù)載到源端呈現(xiàn)高阻抗。此電路可以通過(guò)控制終端阻抗按照實(shí)際需要，實(shí)現(xiàn)源端和負(fù)載端阻抗的匹配。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)THS4271運(yùn)放的主要參數(shù)：輸入失調(diào)電壓和電流，共模抑制比，開環(huán)差模放大倍數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，并對(duì)可能產(chǎn)生誤差的原因及需要考慮的問題進(jìn)行了討論。通過(guò)實(shí)例介紹可以看出，用THS4271可以搭建多種實(shí)用電路，如輸出緩沖器，差分接收電路，有源濾波器，高速儀表放大器，差分混頻器驅(qū)動(dòng)電路，線性低噪聲高增益模數(shù)轉(zhuǎn)換器前置放大實(shí)現(xiàn)不同的功能，同時(shí)說(shuō)明THS4271在不同電路的實(shí)現(xiàn)上有很高的靈活性。綜上介紹使用器件者能對(duì)元件有初步認(rèn)識(shí)和了解，對(duì)今后開展與之有關(guān)的學(xué)習(xí)和研究有一定的參考價(jià)值。