THS4271集成电路实验特性及其应用
2012-07-13彭玉峰林思宏
彭玉峰，金 龙，林思宏，赵 越
（河南师范大学 物理与信息工程学院，河南 新乡 453007）
虽然经过多年的发展，在现代集成电路与系统芯片（System on Chip，SoC）中，集成电路运算放大器的应用依然非常广泛，并往往由应用需要对其性能提出苛刻的要求。因此围绕高性能集成电路运算放大器的研究经久不衰[1]。文中结合实际项目的需要，对THS4271集成运放的主要参数进行了测试，并对结果和其应用进行了讨论，利于今后实验的开展，同时为器件的使用者提供参考。
1 芯片介绍
THS4271是TI公司生产的低噪声，高压摆率，单位增益稳定电压反馈放大器，其设计正常工作电压范围是5～15 V。兼有低噪声，高压摆率，宽带宽，低失真以及单位增益稳定的特性，使得THS4271具有高性能的表现。此放大器的使用者可以在一个较宽的频带上获得实验所需的较高的动态范围，而不必为放大器在失偿期间的稳定性担忧。该系列的放大器的封装形式有SOIC，带有PowerPAD的MSOP，以及带PowerPAD无引线的MSOP。THS4271典型特征参数如表1所示。
THS4271原件形状，引脚分布及各引脚功能如图1所示[2]。（其中NC代表悬空）
表1 THS4271典型特征参数Tab.1 Typical characteristic parameters of THS4271
图1 THS4271引脚分布及功能Fig.1 Distribution and function of THS4271 pin
2 实验原理
2.1 输入失调电压
理想运算放大器（简称运放）的输入信号为零时，其输出直流信号也应该为零。但实际上如果没有外界的调零措施，由于运放内部参数不完全对称，输出电压往往不为零。这种输入为零时输出不为零的现象称为集成运放的失调。
在室温和标准电源电压下，为了使输出端的直流电压为零，必须先在输入端加一个直流电压作为补偿电压，以抵消偏离零点的输出电压，而这个加在输入端的电压即被称为输入失调电压UIO。显然，UIO数值越小，说明运放的参数对称性越好。
2.2 输入失调电流
2.3 共模抑制比
共模抑制比是用来表征运放对共模信号抑制能力大小的参数。定义为运放的差模电压放大倍数Ad与共模电压放大倍数 AC之比：CMRR=Ad/AC；用分贝表示：CMRR=20lg（Ad/AC）dB。共模抑制比在应用中是一个很重要的参数，理想运放对输入的共模信号输出为零，但在实际的集成运放中，其输出不可能没有共模信号的成分，输出端共模信号越小，说明电路对称性越好，运放对共模干扰信号的抑制能力越强，即CMRR越大。
2.4 开环差模放大倍数
3 测试电路，数据及分析
3.1 输入失调电压测量
图2 输入失调电压（电流）测试电路Fig.2 Input offset voltage（current）test circuit
3.2 输入失调电流测量
输入失调电流IIO的大小反映了运放内部差动输入级两个晶体管β的适配度，由于IB1和IB2本身的数值很小（大约在微安级别），因此他们的差值通常不是直接测量的，测试电路原理如图2所示。
IIO的测量分两步：
1）闭合开关S1和S2，在低输入电阻下，测出输出电压为UO1，其中 UO1=（R1+Rf）·UIO/R1，如前所述，这就是由输入失调电压UIO引起的输出电压。
综上所述，将两次测得的数据UO1=0.392 V和UO2=0.693 V代入 IIO=（UO2-UO1）·R1/[RB（R1+Rf），即可得到电路的输入失调电流IIO=111.16 nA。
3.3 共模抑制比测量
共模抑制比测量电路如图3所示[3]。集成运放在闭环状态下的差模电压放大倍数为Ad=Rf/R1，当接入共模输入信号幅值为UiC时，测得输出幅值为UOC，则共模电压放大倍数为AC=UOC/UIC，得到共模抑制比CMRR=Ad/AC=Rf·UIC/（R1·UOC）。实验测得，AC=2.4，则 CMRR=32.4 dB。
图3 共模抑制比测试电路Fig.3 Common-mode rejection ratio test circuit
3.4 开环差模放大倍数
由于集成运放的开环电压放大倍数很高，难以直接进行测量，一般采用闭环电路。Aud的测试方法很多，现采用交，直流同时闭环的测试方法，如图4所示[1]。被测运放一方面通过Rf，R1，R2完成直流闭环，以抑制输出电压漂移，另一方面通过Rf和 Rs实现交流闭环，外加信号 Us经 R1、R2分压，使 Ui足够小，以保证运放工作在线性区，同相输入端电阻R3应与反相输入端电阻R2相匹配，以减小输入偏置电流的影响，电容C为隔直电容。被测运放的放大倍数Aud=UO/Ui=（1+R1+R2）*UO/Ui，经实验测试，Aud=50.81 dB。
图4 开环差模放大倍数测试电路Fig.4 Open-loop differential-mode magnification test circuit
3.5 测试时需要考虑的问题
3.5.1 输入信号选择
交直流均可，但要注意所选信号频率和幅度，同时考虑运放的频率响应特性和输出幅度的限制。运放工作在非线性区，输入频率过高，幅度过大等都会导致测量结果的偏差。
3.5.2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。因THS4271没有调零端子，实验时如果需要调零可采取如图 5 中的（a），（b）[3]两种方式进行，只需按组件要求接入调零电位器RP，细心调节RP，使UO为零，即可实现调零。输入端失调值为零，也会减小对测量数据的影响。
图5 电路图Fig.5 Circuit diagram
3.5.3消 振
集成运放自激时，表现为输入为零，也会有输出，使运放的各种运算功能无法实现，严重时还会损坏器件。消振方法：可以通过外接RC补偿电路；合理布局电路走线和元器件位置以减少分布电容；在电源线和地之间接入适合的电容减小电源引线的影响[5]。
4 THS4271的应用实例
4.1 输出缓冲器
THS4271可以作为数模转换器DAC5675输出端的缓冲器。图6给出了THS4271配置成差分放大电路，可以实现数模转换器5675由差分双端输入到单端输出的转换过程[6]。
4.2 有源滤波
由于THS4271具有高压摆率，宽带宽特性以及电压反馈的结构，可以用它来实现高频有源滤波器。各阶的滤波器，不论低通，高通，带通，带阻在配置好相应的辅助元件后，都可以实现。图7给出了一个简单的两极点低通滤波器，极点位置在100 MHz[6]。
图6 输出缓冲器Fig.6 Output buffer
图7 有源滤波Fig.7 Active filter
4.3 无线通信接收机
同时使用一对THS4271构成电路，可以实现高速，低失真，低噪声的差分接收电路。两个放大器同时工作在同相模式下，电路从负载到源端呈现高阻抗。此电路可以通过控制终端阻抗按照实际需要，实现源端和负载端阻抗的匹配[6]。
图8 无线通信接收机Fig.8 Wireless communication receiver
5 结束语
文中通过实验对THS4271运放的主要参数：输入失调电压和电流，共模抑制比，开环差模放大倍数进行了测量，并对可能产生误差的原因及需要考虑的问题进行了讨论。通过实例介绍可以看出，用THS4271可以搭建多种实用电路，如输出缓冲器，差分接收电路，有源滤波器，高速仪表放大器，差分混频器驱动电路，线性低噪声高增益模数转换器前置放大器，说明它具有很广的应用范围。对电路经过简单改造还可以实现不同的功能，同时说明THS4271在不同电路的实现上有很高的灵活性。综上介绍使用器件者能对元件有初步认识和了解，对今后开展与之有关的学习和研究有一定的参考价值。
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