THS4271集成電路實驗特性及其應用

彭玉峰，金 龍，林思宏，趙 越

（河南師范大學 物理與信息工程學院，河南 新鄉 453007）

雖然經過多年的發展，在現代集成電路與系統芯片（System on Chip，SoC）中，集成電路運算放大器的應用依然非常廣泛，并往往由應用需要對其性能提出苛刻的要求。因此圍繞高性能集成電路運算放大器的研究經久不衰[1]。文中結合實際項目的需要，對THS4271集成運放的主要參數進行了測試，并對結果和其應用進行了討論，利于今后實驗的開展，同時為器件的使用者提供參考。

1 芯片介紹

THS4271是TI公司生產的低噪聲，高壓擺率，單位增益穩定電壓反饋放大器，其設計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定的特性，使得THS4271具有高性能的表現。此放大器的使用者可以在一個較寬的頻帶上獲得實驗所需的較高的動態范圍，而不必為放大器在失償期間的穩定性擔憂。該系列的放大器的封裝形式有SOIC，帶有PowerPAD的MSOP，以及帶PowerPAD無引線的MSOP。THS4271典型特征參數如表1所示。

THS4271原件形狀，引腳分布及各引腳功能如圖1所示[2]。（其中NC代表懸空）

表1 THS4271典型特征參數Tab.1 Typical characteristic parameters of THS4271

圖1 THS4271引腳分布及功能Fig.1 Distribution and function of THS4271 pin

2 實驗原理

2.1 輸入失調電壓

理想運算放大器（簡稱運放）的輸入信號為零時，其輸出直流信號也應該為零。但實際上如果沒有外界的調零措施，由于運放內部參數不完全對稱，輸出電壓往往不為零。這種輸入為零時輸出不為零的現象稱為集成運放的失調。

在室溫和標準電源電壓下，為了使輸出端的直流電壓為零，必須先在輸入端加一個直流電壓作為補償電壓，以抵消偏離零點的輸出電壓，而這個加在輸入端的電壓即被稱為輸入失調電壓UIO。顯然，UIO數值越小，說明運放的參數對稱性越好。

2.2 輸入失調電流

2.3 共模抑制比

共模抑制比是用來表征運放對共模信號抑制能力大小的參數。定義為運放的差模電壓放大倍數Ad與共模電壓放大倍數 AC之比：CMRR=Ad/AC；用分貝表示：CMRR=20lg（Ad/AC）dB。共模抑制比在應用中是一個很重要的參數，理想運放對輸入的共模信號輸出為零，但在實際的集成運放中，其輸出不可能沒有共模信號的成分，輸出端共模信號越小，說明電路對稱性越好，運放對共模干擾信號的抑制能力越強，即CMRR越大。

2.4 開環差模放大倍數

3 測試電路，數據及分析

3.1 輸入失調電壓測量

圖2 輸入失調電壓（電流）測試電路Fig.2 Input offset voltage（current）test circuit

3.2 輸入失調電流測量

輸入失調電流IIO的大小反映了運放內部差動輸入級兩個晶體管β的適配度，由于IB1和IB2本身的數值很小（大約在微安級別），因此他們的差值通常不是直接測量的，測試電路原理如圖2所示。

IIO的測量分兩步：

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

綜上所述，將兩次測得的數據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電流IIO=111.16 nA。

3.3 共模抑制比測量

共模抑制比測量電路如圖3所示[3]。集成運放在閉環狀態下的差模電壓放大倍數為Ad=Rf/R1，當接入共模輸入信號幅值為UiC時，測得輸出幅值為UOC，則共模電壓放大倍數為AC=UOC/UIC，得到共模抑制比CMRR=Ad/AC=Rf·UIC/（R1·UOC）。實驗測得，AC=2.4，則 CMRR=32.4 dB。

圖3 共模抑制比測試電路Fig.3 Common-mode rejection ratio test circuit

3.4 開環差模放大倍數

由于集成運放的開環電壓放大倍數很高，難以直接進行測量，一般采用閉環電路。Aud的測試方法很多，現采用交，直流同時閉環的測試方法，如圖4所示[1]。被測運放一方面通過Rf，R1，R2完成直流閉環，以抑制輸出電壓漂移，另一方面通過Rf和 Rs實現交流閉環，外加信號 Us經 R1、R2分壓，使 Ui足夠小，以保證運放工作在線性區，同相輸入端電阻R3應與反相輸入端電阻R2相匹配，以減小輸入偏置電流的影響，電容C為隔直電容。被測運放的放大倍數Aud=UO/Ui=（1+R1+R2）*UO/Ui，經實驗測試，Aud=50.81 dB。

圖4 開環差模放大倍數測試電路Fig.4 Open-loop differential-mode magnification test circuit

3.5 測試時需要考慮的問題

3.5.1 輸入信號選擇

交直流均可，但要注意所選信號頻率和幅度，同時考慮運放的頻率響應特性和輸出幅度的限制。運放工作在非線性區，輸入頻率過高，幅度過大等都會導致測量結果的偏差。

3.5.2調 零

為提高運算精度，在運算前，應首先對直流輸出電位進行調零，即保證輸入為零時，輸出也為零。因THS4271沒有調零端子，實驗時如果需要調零可采取如圖 5 中的（a），（b）[3]兩種方式進行，只需按組件要求接入調零電位器RP，細心調節RP，使UO為零，即可實現調零。輸入端失調值為零，也會減小對測量數據的影響。

圖5 電路圖Fig.5 Circuit diagram

3.5.3消 振

集成運放自激時，表現為輸入為零，也會有輸出，使運放的各種運算功能無法實現，嚴重時還會損壞器件。消振方法：可以通過外接RC補償電路；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[5]。

4 THS4271的應用實例

4.1 輸出緩沖器

THS4271可以作為數模轉換器DAC5675輸出端的緩沖器。圖6給出了THS4271配置成差分放大電路，可以實現數模轉換器5675由差分雙端輸入到單端輸出的轉換過程[6]。

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構，可以用它來實現高頻有源濾波器。各階的濾波器，不論低通，高通，帶通，帶阻在配置好相應的輔助元件后，都可以實現。圖7給出了一個簡單的兩極點低通濾波器，極點位置在100 MHz[6]。

圖6 輸出緩沖器Fig.6 Output buffer

圖7 有源濾波Fig.7 Active filter

4.3 無線通信接收機

同時使用一對THS4271構成電路，可以實現高速，低失真，低噪聲的差分接收電路。兩個放大器同時工作在同相模式下，電路從負載到源端呈現高阻抗。此電路可以通過控制終端阻抗按照實際需要，實現源端和負載端阻抗的匹配[6]。

圖8 無線通信接收機Fig.8 Wireless communication receiver

5 結束語

文中通過實驗對THS4271運放的主要參數：輸入失調電壓和電流，共模抑制比，開環差模放大倍數進行了測量，并對可能產生誤差的原因及需要考慮的問題進行了討論。通過實例介紹可以看出，用THS4271可以搭建多種實用電路，如輸出緩沖器，差分接收電路，有源濾波器，高速儀表放大器，差分混頻器驅動電路，線性低噪聲高增益模數轉換器前置放大器，說明它具有很廣的應用范圍。對電路經過簡單改造還可以實現不同的功能，同時說明THS4271在不同電路的實現上有很高的靈活性。綜上介紹使用器件者能對元件有初步認識和了解，對今后開展與之有關的學習和研究有一定的參考價值。

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