基于DL1000系統的運算放大器參數測試方法研究

姚鼎

（中國船舶重工集團公司第七一六研究所，連云港 222006）

引言

運算放大器是一種由多級直接耦合放大電路組成的高增益模擬集成電路，具有運算和放大作用，也是發展最早和應用最廣的模擬集成電路。雖然其型號種類很多，內部結構也各有差異，但他們的基本組成是相同的，主要由輸入級、中間放大級、輸出級和偏置電路4部分組成，如圖1所示[1]。因此，對于不同種類功能的運算放大器，表征其性能的參數具有高度的一致性，主要有輸入失調電壓（Vos）、輸入偏置電流（Ib）、輸入失調電流（Ios）、開環電壓增益（Avo）、共模抑制比（CMRR）、電源電壓抑制比（PSRR）、輸出電壓擺幅（Vo）、增益帶寬積（GBP）、輸出電壓轉換速率（SR）、電源電流（Is）等10項，這些參數也反映了運算放大器的性能、精度、速度、放大能力等重要指標[3]。

本文以檢測中心現有DL1000模擬器件測試系統為基礎，利用通用的軟硬件資源，分析運算放大器各參數的測試原理及具體實現方法，對運算放大器的測試進行了深入的了解，以提高運算放大器測試質量及測試效率。

圖1 運算放大器基本組成部分

1 運算放大器測試方法的基本原理

國軍標采用通過輔助放大器（A）與被測器件（DUT）形成閉合環路的方法進行各參數的測試，其基本測試原理圖如圖2所示，具體測試方法見GJB 9147-2017《半導體集成電路運算放大器測試方法》詳細說明[3]。

2 基于DL1000系統的運算放大器參數測試

2.1 DL1000模擬器件測試系統

DL1000模擬器件測試系統是在WIN XP環境下，利用VC++作為系統開發工具的集成電路測試管理系統，配有雙路大功率電壓電流源DVI、四路中功率電壓電流源QVI、八路小功率電壓電流源OVI、四路高精度電壓測量單元VM、時間測量單元TMU、音頻信號輸出/測量單元AS，可用于運算放大器、電壓比較器、采樣保持器、電壓跟隨器、時基電路等各類模擬器件交、直流參數測試，其中，為解決運算放大器測試問題，測試系統帶有一個專用的運放包，并配備運放測試板卡。

2.2 基于DL1000系統的運算放大器基本測試原理

依據GJB 9147運算放大器基本測試原理，通過DL1000系統的通用硬件資源，實現運算放大器各參數的測試，基本測試原理圖如圖3所示。

圖2 GJB 9147中運算放大器基本測試原理圖

圖3 基于DL1000運算放大器基本測試原理圖

2.2.1輸入失調電壓Vos（Input Offset Voltage）

測試目的：測試使DUT直流輸出電壓為規定值（或零）時，在兩輸入端間施加的直流補償電壓。

Vos基本測試原理如圖4所示，具體實現過程：

1）程序中控制閉合K4，這樣輔助運放與被測運放形成一個閉環負反饋電路；

2）閉合K5至AGND端，切換K6、K7，Vin接地；

3）被測運放施加規定電源，VIS4和VIS5分別供給正負電源；

4）VIS1施加電壓0 V，這樣由閉環負反饋電路分析可得，被測運放的輸出會置為0 V。

5）被測運放輸入端電壓Vos會經過比例精密電阻放大，并由VM1采集，通過計算可得Vos。

Vos =（R4/（R4+R5））*VLO，其中本系統精密電阻放大（R4+R5）/R4=401倍。

2.2.2 輸 入偏置電流Ib（Input Bias Current）、輸入失調電流Ios（Input Offset Current）

Ib測試目的：測試使DUT直流輸出電壓為規定值（或零）時，兩輸入端流入的電流平均值；

Ios測試目的：測試使DUT直流輸出電壓為規定值（或零）時，兩輸入端流入的電流之差。

Ib、Ios參數的測試基本原理一致，且一般都是nA級，需采用小電流測試法。

基本測試原理如圖5所示，具體實現過程：

1）程序中控制閉合K4，閉合K5接入小電流測流電路，通過切換開關K6、K7，把測流電路切入運放輸入管腳；

2）被測運放施加規定電源，VIS4和VIS5分別供給正負電源，施加VIS1為0 V；

3）通過VM2采集電壓VLO，采集的結果除以1M的采樣電阻（R6）即可測得Ib+；

4）切換切換開關K6、K7，可測得Ib-；

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

2.2.3 開環電壓增益Avo（Large Signal Voltage Gain）

測試目的：測試當器件開環時，其輸出電壓變化和差模輸入電壓變化之比。

Avo基本測試原理如圖4所示，具體實現過程：

1）程序中控制閉合K4，閉合K5至AGND端，切換K6、K7，Vin接地，即Vin+=0 V；

2）被測運放施加規定電源，VIS4和VIS5分別供給正負電源，輸出端接入器件詳細規范規定的負載，對應圖中電阻R10、R11、R12；

3）VIS1施加電壓VREF+，由閉環負反饋電路分析可得，被測運放的輸出會置為-VREF+，VM1端測得電壓V1，計算可得Vin1=（R4/（R4+R5））*V1；

圖4 Vos基本測試原理圖

圖5 Ib、Ios基本測試原理圖

4）VIS1施加電壓VREF-，由閉環負反饋電路分析可得，被測運放的輸出會置為+VREF-，VM1端測得電壓V2，計算可得Vin2=（R4/（R4+R5））*V2；

計算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)

測試目的：測試DUT 差模電壓增益和共模電壓增益之比。

CMRR 反映了運放對共模輸入信號的抑制能力，其基本測試原理如圖4 所示，具體實現過程：

1）程序中控制閉合K4，閉合K5 至AGND 端，切換K6、K7，Vin+=0 V；

2）被測運放施加規定電源，VIS4 和VIS5 分別供給正負電源；

3）采用變電源法，VIS4、VIS5 電壓同時增加VIC+，VM1 端測得電壓V1，計算可得Vin1=（R4/（R4+R5））*V1；

4）VIS4、VIS5 電壓同時降低VIC-，VM1 端測得電壓V2，計算可得Vin2=（R4/（R4+R5））*V2；

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

一般也用對數表示CMRR=20lg fabs [（Vic+-Vic-）/（（V2-V1）*（R4/（R4+R5）））] （dB）

2.2.5 電源電壓抑制比PSRR（Power Supply Rejection Ratio)

測試目的：測試DUT 輸入失調電壓隨電源電壓的變化率[4]。

PSRR 基本測試原理如圖4 所示，具體實現過程：

1）程序中控制閉合K4，閉合K5 至AGND 端，切換K6、K7，Vin+=0 V；

2）被測運放施加規定電源，VIS4 和VIS5 分別供給正負電源；

3）VIS1 施加電壓0 V，被測運放的輸出會置為0 V，VM1 端測得電壓V1，則Vin1=（R4/（R4+R5））*V1；

4）VIS4、VIS5 電壓同時增加VIC，VM1 端測得電壓V2，則Vin2=（R4/（R4+R5））*V2；

計算PSRR=2VIC/（V2-V1）

對數表示PSRR=20lg fabs[2VIC/（V2-V1）]

2.2.6 輸出電壓擺幅VO（Output Voltage Swing）

測試目的：測試DUT 在規定的電源電壓和負載條件下，輸出的最大電壓。

VO基本測試原理如圖4 所示，具體實現過程：

1）程序中控制閉合K4，閉合K5 至AGND 端，切換K6、K7，Vin+=0 V；

2）輸出端接入器件詳細規范規定的負載；

3）被測運放施加器件詳細規范規定的電源電壓，VIS4 和VIS5 分別供給正負電源，VM3 測得輸出電壓VO。

2.2.7 增益帶寬積GBP（Closed-Loop Bandwidth Product）

測試目的：測試DUT 在6dB/倍頻程增益-頻率特性范圍內，其電壓增益和對應頻率的乘積。

GBP 基本測試原理如圖4 所示，具體實現過程：

1）程序中控制閉合K4，閉合K5 至AGND 端，切換K6、K7，Vin+=0 V；

2）被測運放施加規定電源，VIS4 和VIS5 分別供給正負電源；

3）關閉電壓電流源VIS1，閉合K1，閉環回路接入AS 交流信號，交流信號頻率按器件詳細規范設置為fm；

4）VM3 測得輸出電壓VO，VM1 測得電壓VL，計算可得輸入電壓Vin=（R4/（R4+R5））* VL；

計算GBP=VO/Vin*fm

= VO/ VL*fm* （（R4+R5）/R4）

2.2.8 輸出電壓轉換速率SR（Slew Rate）

測試目的：測試在DUT 輸入端施加規定條件的大信號階躍脈沖電壓，其輸出電壓隨時間的最大變化率。

SR 基本測試原理如圖3 所示，具體實現過程：

1）斷開K4，切合K7，被測運放形成一個電壓跟隨電路；

2）被測運放施加規定的電源,輸入端接入FI 方波發生器，按器件詳細規范規定輸入脈沖信號，輸出端接入器件詳細規范規定的負載；

3）閉合K8，接入時間測量單元TMU，通過TMU采集輸出電壓變化△VO和對應的時間△t；

計算SR=△VO/△t

2.2.9 電源電流Is（Supply Current）

測試目的：測試DUT輸入端無信號且輸出端空載時，流過電源端的電流。

Is基本測試原理如圖4所示，具體實現過程：

1）程序中控制閉合K4，閉合K5至AGND端，切換K6、K7，Vin+=0 V；

2）被測運放施加規定電源，VIS4和VIS5分別供給正負電源V+，V-；

3）在電源端V+及V-分別測得電流I+及I-；

同時，計算可得運放的靜態功耗PD，PD= V+* I++ V-*I-。

3 結束語

本文基于DL1000模擬器件測試系統對運算放大器十項主要參數的測試原理及方法進行了深入分析，搭配DL1000系統測試程序靈活方便的參數設置方式，只需通過合理配置外圍電路，即可實現多種運放的測試，極大豐富了運算放大器測試程序庫。