基于DL1000系统的运算放大器参数测试方法研究

姚鼎

（中国船舶重工集团公司第七一六研究所，连云港 222006）

引言

运算放大器是一种由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路，具有运算和放大作用，也是发展最早和应用最广的模拟集成电路。虽然其型号种类很多，内部结构也各有差异，但他们的基本组成是相同的，主要由输入级、中间放大级、输出级和偏置电路4部分组成，如图1所示[1]。因此，对于不同种类功能的运算放大器，表征其性能的参数具有高度的一致性，主要有输入失调电压（Vos）、输入偏置电流（Ib）、输入失调电流（Ios）、开环电压增益（Avo）、共模抑制比（CMRR）、电源电压抑制比（PSRR）、输出电压摆幅（Vo）、增益带宽积（GBP）、输出电压转换速率（SR）、电源电流（Is）等10项，这些参数也反映了运算放大器的性能、精度、速度、放大能力等重要指标[3]。

本文以检测中心现有DL1000模拟器件测试系统为基础，利用通用的软硬件资源，分析运算放大器各参数的测试原理及具体实现方法，对运算放大器的测试进行了深入的了解，以提高运算放大器测试质量及测试效率。

图1 运算放大器基本组成部分

1 运算放大器测试方法的基本原理

国军标采用通过辅助放大器（A）与被测器件（DUT）形成闭合环路的方法进行各参数的测试，其基本测试原理图如图2所示，具体测试方法见GJB 9147-2017《半导体集成电路运算放大器测试方法》详细说明[3]。

2 基于DL1000系统的运算放大器参数测试

2.1 DL1000模拟器件测试系统

DL1000模拟器件测试系统是在WIN XP环境下，利用VC++作为系统开发工具的集成电路测试管理系统，配有双路大功率电压电流源DVI、四路中功率电压电流源QVI、八路小功率电压电流源OVI、四路高精度电压测量单元VM、时间测量单元TMU、音频信号输出/测量单元AS，可用于运算放大器、电压比较器、采样保持器、电压跟随器、时基电路等各类模拟器件交、直流参数测试，其中，为解决运算放大器测试问题，测试系统带有一个专用的运放包，并配备运放测试板卡。

2.2 基于DL1000系统的运算放大器基本测试原理

依据GJB 9147运算放大器基本测试原理，通过DL1000系统的通用硬件资源，实现运算放大器各参数的测试，基本测试原理图如图3所示。

图2 GJB 9147中运算放大器基本测试原理图

图3 基于DL1000运算放大器基本测试原理图

2.2.1输入失调电压Vos（Input Offset Voltage）

测试目的：测试使DUT直流输出电压为规定值（或零）时，在两输入端间施加的直流补偿电压。

Vos基本测试原理如图4所示，具体实现过程：

1）程序中控制闭合K4，这样辅助运放与被测运放形成一个闭环负反馈电路；

2）闭合K5至AGND端，切换K6、K7，Vin接地；

3）被测运放施加规定电源，VIS4和VIS5分别供给正负电源；

4）VIS1施加电压0 V，这样由闭环负反馈电路分析可得，被测运放的输出会置为0 V。

5）被测运放输入端电压Vos会经过比例精密电阻放大，并由VM1采集，通过计算可得Vos。

Vos =（R4/（R4+R5））*VLO，其中本系统精密电阻放大（R4+R5）/R4=401倍。

2.2.2 输 入偏置电流Ib（Input Bias Current）、输入失调电流Ios（Input Offset Current）

Ib测试目的：测试使DUT直流输出电压为规定值（或零）时，两输入端流入的电流平均值；

Ios测试目的：测试使DUT直流输出电压为规定值（或零）时，两输入端流入的电流之差。

Ib、Ios参数的测试基本原理一致，且一般都是nA级，需采用小电流测试法。

基本测试原理如图5所示，具体实现过程：

1）程序中控制闭合K4，闭合K5接入小电流测流电路，通过切换开关K6、K7，把测流电路切入运放输入管脚；

2）被测运放施加规定电源，VIS4和VIS5分别供给正负电源，施加VIS1为0 V；

3）通过VM2采集电压VLO，采集的结果除以1M的采样电阻（R6）即可测得Ib+；

4）切换切换开关K6、K7，可测得Ib-；

5）Ib=[ （Ib+）+（Ib-）]/2；Ios=（Ib+）-（Ib-）。

2.2.3 开环电压增益Avo（Large Signal Voltage Gain）

测试目的：测试当器件开环时，其输出电压变化和差模输入电压变化之比。

Avo基本测试原理如图4所示，具体实现过程：

1）程序中控制闭合K4，闭合K5至AGND端，切换K6、K7，Vin接地，即Vin+=0 V；

2）被测运放施加规定电源，VIS4和VIS5分别供给正负电源，输出端接入器件详细规范规定的负载，对应图中电阻R10、R11、R12；

3）VIS1施加电压VREF+，由闭环负反馈电路分析可得，被测运放的输出会置为-VREF+，VM1端测得电压V1，计算可得Vin1=（R4/（R4+R5））*V1；

图4 Vos基本测试原理图

图5 Ib、Ios基本测试原理图

4）VIS1施加电压VREF-，由闭环负反馈电路分析可得，被测运放的输出会置为+VREF-，VM1端测得电压V2，计算可得Vin2=（R4/（R4+R5））*V2；

计算Avo=（VREF+-VREF-）/（ Vin1- Vin2）=（VREF+-VREF-）/（（V1-V2）*（R4/（R4+R5）））

2.2.4 共模抑制比CMRR（Common-Mode Rejection Ratio)

测试目的：测试DUT 差模电压增益和共模电压增益之比。

CMRR 反映了运放对共模输入信号的抑制能力，其基本测试原理如图4 所示，具体实现过程：

1）程序中控制闭合K4，闭合K5 至AGND 端，切换K6、K7，Vin+=0 V；

2）被测运放施加规定电源，VIS4 和VIS5 分别供给正负电源；

3）采用变电源法，VIS4、VIS5 电压同时增加VIC+，VM1 端测得电压V1，计算可得Vin1=（R4/（R4+R5））*V1；

4）VIS4、VIS5 电压同时降低VIC-，VM1 端测得电压V2，计算可得Vin2=（R4/（R4+R5））*V2；

计算CMRR =（Vic+-Vic-）/（（V2- V1）*（R4/（R4+R5）））

一般也用对数表示CMRR=20lg fabs [（Vic+-Vic-）/（（V2-V1）*（R4/（R4+R5）））] （dB）

2.2.5 电源电压抑制比PSRR（Power Supply Rejection Ratio)

测试目的：测试DUT 输入失调电压随电源电压的变化率[4]。

PSRR 基本测试原理如图4 所示，具体实现过程：

1）程序中控制闭合K4，闭合K5 至AGND 端，切换K6、K7，Vin+=0 V；

2）被测运放施加规定电源，VIS4 和VIS5 分别供给正负电源；

3）VIS1 施加电压0 V，被测运放的输出会置为0 V，VM1 端测得电压V1，则Vin1=（R4/（R4+R5））*V1；

4）VIS4、VIS5 电压同时增加VIC，VM1 端测得电压V2，则Vin2=（R4/（R4+R5））*V2；

计算PSRR=2VIC/（V2-V1）

对数表示PSRR=20lg fabs[2VIC/（V2-V1）]

2.2.6 输出电压摆幅VO（Output Voltage Swing）

测试目的：测试DUT 在规定的电源电压和负载条件下，输出的最大电压。

VO基本测试原理如图4 所示，具体实现过程：

1）程序中控制闭合K4，闭合K5 至AGND 端，切换K6、K7，Vin+=0 V；

2）输出端接入器件详细规范规定的负载；

3）被测运放施加器件详细规范规定的电源电压，VIS4 和VIS5 分别供给正负电源，VM3 测得输出电压VO。

2.2.7 增益带宽积GBP（Closed-Loop Bandwidth Product）

测试目的：测试DUT 在6dB/倍频程增益-频率特性范围内，其电压增益和对应频率的乘积。

GBP 基本测试原理如图4 所示，具体实现过程：

1）程序中控制闭合K4，闭合K5 至AGND 端，切换K6、K7，Vin+=0 V；

2）被测运放施加规定电源，VIS4 和VIS5 分别供给正负电源；

3）关闭电压电流源VIS1，闭合K1，闭环回路接入AS 交流信号，交流信号频率按器件详细规范设置为fm；

4）VM3 测得输出电压VO，VM1 测得电压VL，计算可得输入电压Vin=（R4/（R4+R5））* VL；

计算GBP=VO/Vin*fm

= VO/ VL*fm* （（R4+R5）/R4）

2.2.8 输出电压转换速率SR（Slew Rate）

测试目的：测试在DUT 输入端施加规定条件的大信号阶跃脉冲电压，其输出电压随时间的最大变化率。

SR 基本测试原理如图3 所示，具体实现过程：

1）断开K4，切合K7，被测运放形成一个电压跟随电路；

2）被测运放施加规定的电源,输入端接入FI 方波发生器，按器件详细规范规定输入脉冲信号，输出端接入器件详细规范规定的负载；

3）闭合K8，接入时间测量单元TMU，通过TMU采集输出电压变化△VO和对应的时间△t；

计算SR=△VO/△t

2.2.9 电源电流Is（Supply Current）

测试目的：测试DUT输入端无信号且输出端空载时，流过电源端的电流。

Is基本测试原理如图4所示，具体实现过程：

1）程序中控制闭合K4，闭合K5至AGND端，切换K6、K7，Vin+=0 V；

2）被测运放施加规定电源，VIS4和VIS5分别供给正负电源V+，V-；

3）在电源端V+及V-分别测得电流I+及I-；

同时，计算可得运放的静态功耗PD，PD= V+* I++ V-*I-。

3 结束语

本文基于DL1000模拟器件测试系统对运算放大器十项主要参数的测试原理及方法进行了深入分析，搭配DL1000系统测试程序灵活方便的参数设置方式，只需通过合理配置外围电路，即可实现多种运放的测试，极大丰富了运算放大器测试程序库。