基于虚拟仪器的集成运算放大器综合参数测试平台

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【摘要】本文利用虚拟仪器技术进行运算放大器参数测试平台的设计，所用的软件为NI公司的labVIEW编程环境，硬件选用NI公司的PCI-6251数据采集卡，实现信号的采集与传递，整个测试平台能方便完成运算放大器主要参数的测试、波形显示与保存。最后利用测试平台对运算放大器的特性进行测量，并与其他仪器测量结果进行比较，实验结果表明该测试平台所测结果精确可靠，系统操作灵活，可扩展性强。

【关键词】虚拟仪器;LabVIEW;运算放大器;参数测试

1.引言

虚拟仪器包括硬件和软件两大部分，其中硬件指的是获取硬件电路的信号的一个媒介，也就是与硬件电路互相数据交换的通道平台。而相应的软件是实现数据的采集、分析、处理、显示等功能，并将其包装成一个虚拟仪器操作的环境，是一种仿真的环境，可以在上面通过写代码，完成对硬件电路的测试。相比于传统的硬件电路测试，虚拟仪器不需要庞大的硬件设备，不需要过于复杂的后续公式计算，可以将公式包含到程序中。在微电子方面的应用，虚拟仪器对测量一些半导体器件的特性显得尤为重要，这里是利用虚拟仪器对运算放大器进行参数测试。并可以将输出输入的结果同步的绘制成相应的特性曲线，并且可以将所关心的硬件中某个节点的数据单独进行分析。因此，虚拟仪器可以完全适应实验室中对于一般半导体器件的特性测试，另外对于实验数据的记录和提取，尤其是面对庞大数据时，虚拟仪器的优势就体现出来了。

2.测试系统设计

2.1 设计要求及整体方案

本测试系统充分利用虚拟仪器的灵活性、可扩展性及强大的软件功能，通过尽量少的硬件电路，强健的软件设计实现运算放大器主要参数的测试，保证了在硬件设备以及连线不变的前提下，通过软件控制就可以完成多项指标的测试，增加了测试效率，同时也降低了成本。另外，硬件测试电路有多路开关组成，对应测试指标有相应的测试程序。图1中为系统的整体程序框图，测试电路为搭建的具体硬件电路，NI PCI6251板卡为相应的通用板卡，电脑中所用的软件为LabVIEW.可以通过软件控制并且相应的显示出所测数据。

图1 测试系统设计原理框图

2.2 数据采集系统设计

数据采集主要依靠NI公司提供的数据采集板卡，以及软件中的DAQ助手进行数据传递，数据采集是虚拟仪器的核心技术之一。LabVIEW提供了与NI公司的数据采集硬件相配合的丰富软件资源，使得它能够方便地将现实世界中各种物理量采集到计算机中，从而为计算机在测量领域发挥其强大的功能奠定了基础。本测试系统的数据采集部分选用NI公司的PCI-6251型数据采集卡。NI PCI-6251数据采集卡共有16个模拟输入通道，2个模拟输出通道，分别有8个数字输入输出通道，2个计数器和定时器，1个ADC，2个DAC。16个模拟输入通道可以根据采集方式的不同，用多通道采集多组信号。因为有两个DAC，可以并行输出两路模拟信号。

2.3 软件系统设计

本文所采用的软件平台是LabVIEW 8.2开发平台。软件系统的前面板设计窗口如图2所示。前面板既接受来自框图程序的指令，又是用户与程序代码发生交互的窗口。这个窗口模拟真实仪表的面板，用于设置输入和观察输出，能够实时的显示所测的参数，并能方便的调节设置所需要的各个参数。当开关打开，程序运行，所测参数会动态的显示在面板上，并能绘制出如下曲线。

图2 测试系统前面板1

图3 测试系统前面板2

后面板程序采用顺序执行程序，通过时钟进行延迟。首先进行所有开关的初始化，这样相对之前的控制进行清零，延迟一段时间，前面板对应的测试选项，有不同的开关顺序，并进行一定的延迟。最后将采集的数据进行公式计算，为了保证采集数据的准确性，采20个值，去掉最大值，去掉最小值，然后取平均值。最终将这些数据通过公式处理，得到所测数据，显示在前面板上。其中的开关代表布尔逻辑，T代表开，F代表关，开关对应着高低电平，传送给硬件电路的开关。

图4 测试系统后面板2

3.测试实验验证

3.1 测试电路设计

以测试NE5532为例，NE5532为八管脚双运放，根据其数据手册确认运放的基本特性，并搭建相应的硬件电路。本文主要需要测量的运放参数为输入失调电压，输入失调电流，输入基极电流。测试方案依据通用的运放测试标准，所采用的电阻为高精度电阻，并做了相应的匹配。在焊接电路过程中也是注意了元器件之间的走线，尽量避免一些线过长造成干扰。为了提高测量的便捷，采用了辅助运放测试方法，具体电路结构如图6所示。

图5 实际搭建的硬件电路图

图6 测试电路示意电路图

3.2 输入失调电压

理想运算放大器，当输入信号为零时其输出也为零。但在真实的集成电路器件中，由于输入级的差动放大电路总会存在一些不对称的现象（由晶体管组成的差动输入级，不对称的主要原因是两个差放管的UBE不相等），使得输入为零时，输出不为零。这种输入为零而输出不为零的现象称为“失调”。为讨论方便，人们将由于器件内部的不对称所造成的失调现象，看成是由于外部存在一个误差电压而造成，记作UIO。

输入失调电压在数值上等于输入为零时的输出电压除以运算放大器的开环电压放大倍数：

（1）

式中：

UIO――输入失调电压

UOO――输入为零时的输出电压值

AOD――运算放大器的开环电压放大倍数

本次实验采用的失调电压测试电路如图7所示。通过对原电路相应的开关调整，测量此时的输出电压UO1即为输出失调电压，则输入失调电压：

（2）

实际测出的UO1可能为正，也可能为负。

测试中应注意：

①将运放调零端开路（即不接入调零电路）;

②要求电阻R1和R2，R3和RF的阻值精确配对。

将开关K4置地，并进行测量。

图7 测试电路示意图

图8 输入失调电压测试程序前面板

图9 输入失调电压测试程序后面板

图10 测试电路示意图

图11 输入失调电流程序前面板

图12 输入失调电流程序后面板

3.3 输入失调电流IIO

当输入信号为零时，运放两个输入端的输入偏置电流之差称为输入失调电流，记为IIO。

（3）

式中：IB1，IB2分别是运算放大器两个输入端的输入偏置电流。

输入失调电流的大小反映了运放内部差动输入级的两个晶体管的失配度，由于IB1，IB2本身的数值已很小（μA或nA级），因此它们的差值通常不是直接测量的，测试电路如图10所示，测试方法如下所示：

将K4置地，K1、K2闭合，在辅助放大器A的输出端测得输出电压。

保持K4置地，K1、K2断开，在辅助放大器A的输出端测得输出电压。

由以下计算公式求出

3.4 输入基极电流

输入偏置电流是指在常温下，且输入信号为零时，集成运算放大器两个输入端输入电流的平均值。

将K4置地，K1断开，K2闭合。测得此时辅助运算放大器A的输出电压。

保持K4置地，K1闭合，K2断开，测得此时辅助运算放大器A的输出电压。

公式：

（5）

在测量输入偏置电流IIB时，应注意：

（1）只有当集成运放的输出电压尚未达到饱和值时，测试电路所获得的各项测试结果才是正确的。

（2）在测试时，应该用示波器监视输出电压波形，若发现集成运放的输出端产生自激，则必须加补偿电容，以消除自激振荡。

图13 输入基极电流测试电路示意图

图14 输入基极电流测试程序前面板

图15 基极电流测试程序后面板

4.实际测试注意事项

4.1 信号幅度的选取

输入信号选用交、直流量均可，但在选取信号的频率和幅度时应考虑运放的频响特性和输出幅度的限制。

4.2 调零

为提高运算精度，在运算前，应首先对直流输出电位进行调零，即保证输入为零时，输出也为零。当运放有外接调零端子时，可按组件要求接入调零电位器RW，调零时，将运放输入端接地，用直流电压表测量输出电压UO，细心调节RW，使UO为零（即失调电压为零）。。

运放如不能调零，大致有如下原因：

①组件正常，接线有错误。②组件正常，但负反馈不够强（RF/R1太大），为此可将RF短路，观察是否能调零。③组件正常，但由于它所允许的共模输入电压太低，可能出现自锁现象，因而不能调零。为此可将电源断开后，再重新接通，如能恢复正常，则属于这种情况。④组件正常，但电路有自激现象，应进行消振。⑤组件内部损坏，应更换的集成块。

4.3 防止自激振荡

集成运放自激时，表现为即使输入信号为零，亦会有输出，使各种运算功能无法实现，严重时还会损坏器件。在实验中，可用示波器监视输出波形。为的消除运放自激，常采用如下措施

①若运放有相位补偿端子，可利用外接RC补偿电路，产品手册中有补偿电路及元件参数提供。②电路布线，元、器件布局应尽量减少分布电容。③在正、负电源进线与地之间接上几十μF的电解电容和0.01～0.1μF的陶瓷电容相并联，以减小电源引入的影响。

5.总结

本文利用虚拟仪器技术研发了运算放大器测试系统。充分利用NI公司采集卡上的硬件资源，采集所设计的硬件电路上的信号;利用LabVIEW软件强大的数据处理能力，可灵活方便地对数据进行显示。另外一方面对数据进行严格的实时监控，在现实的硬件电路中，想要对硬件电路监控，需要一台强大的示波器，而此时通过虚拟仪器也可实现该功能，经过实际测试验证，对于在一定精度范围内，完全可以满足学校实验室对运算放大器等芯片的测试工作，体现了虚拟仪器成本低，效率高，可扩展性强等特点。

参考文献

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