运算放大器电路固有噪声的分析与测量 运算放大器电路固有噪声的分析与测量方法
今天给大家聊到了运算放大器电路固有噪声的分析与测量，以及运算放大器电路固有噪声的分析与测量方法相关的内容，在此希望可以让网友有所了解，最后记得收藏本站。
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运算放大器
运算放大器（Operational Amplifier,简称OP、OPA、OPAMP）是一种直流耦合﹐差模（差动模式）输入、通常为单端输出（Differential-in, single-ended output）的高增益（gain）电压放大器，因为刚开始主要用于加法，乘法等运算电路中，因而得名。一个理想的运算放大器必须具备下列特性：无限大的输入阻抗、等于零的输出阻抗、无限大的开回路增益、无限大的共模排斥比的部分、无限大的频宽。最基本的运算放大器如图1-1。一个运算放大器模组一般包括一个正输入端(OP_P)、一个负输入端(OP_N)和一个输出端(OP_O)。
通常使用运算放大器时，会将其输出端与其反相输入端（inverting input node）连接，形成一负反馈（negative feedback）组态。原因是运算放大器的电压增益非常大，范围从数百至数万倍不等，使用负反馈方可保证电路的稳定运作。但是这并不代表运算放大器不能连接成正回馈（positive feedback），相反地，在很多需要产生震荡讯号的系统中，正回馈组态的运算放大器是很常见的组成元件。
开环回路运算放大器如图1-2。当一个理想运算放大器采用开回路的方式工作时，其输出与输入电压的关系式如下：
Vout = ( V+ -V-) * Aog
其中Aog代表运算放大器的开环回路差动增益（open-loop differential gai由于运算放大器的开环回路增益非常高，因此就算输入端的差动讯号很小，仍然会让输出讯号「饱和」（saturation），导致非线性的失真出现。因此运算放大器很少以开环回路出现在电路系统中，少数的例外是用运算放大器做比较器（comparator），比较器的输出通常为逻辑准位元的「0」与「1」。
闭环负反馈
将运算放大器的反向输入端与输出端连接起来，放大器电路就处在负反馈组态的状况，此时通常可以将电路简单地称为闭环放大器。闭环放大器依据输入讯号进入放大器的端点，又可分为反相（inverting）放大器与非反相（non-inverting）放大器两种。
反相闭环放大器如图1-3。假设这个闭环放大器使用理想的运算放大器，则因为其开环增益为无限大，所以运算放大器的两输入端为虚接地（virtual ground），其输出与输入电压的关系式如下：
Vout = -(Rf / Rin) * Vin
图1-3反相闭环放大器
非反相闭环放大器如图1-4。假设这个闭环放大器使用理想的运算放大器，则因为其开环增益为无限大，所以运算放大器的两输入端电压差几乎为零，其输出与输入电压的关系式如下：
Vout = ((R2 / R1) + 1) * Vin
图1-4非反相闭环放大器
闭环正回馈
将运算放大器的正向输入端与输出端连接起来，放大器电路就处在正回馈的状况，由于正回馈组态工作于一极不稳定的状态，多应用于需要产生震荡讯号的应用中。
理想运放和理想运放条件
在分析和综合运放应用电路时，大多数情况下，可以将集成运放看成一个理想运算放大器。理想运放顾名思义是将集成运放的各项技术指标理想化。由于实际运放的技术指标比较接近理想运放，因此由理想化带来的误差非常小，在一般的工程计算中可以忽略。
理想运放各项技术指标具体如下：
1．开环差模电压放大倍数Aod = ∞；
2．输入电阻Rid = ∞；输出电阻Rod =0
3．输入偏置电流IB1=IB2=0 ；
4．失调电压UIO 、失调电流IIO 、失调电压温漂、失调电流温漂均为零；
5．共模抑制比CMRR = ∞；；
6．-3dB带宽fH = ∞ ；
7．无内部干扰和噪声。
实际运放的参数达到如下水平即可以按理想运放对待：
电压放大倍数达到104～105倍；输入电阻达到105Ω；输出电阻小于几百欧姆； 外电路中的电流远大于偏置电流；失调电压、失调电流及其温漂很小，造成电路的漂移在允许范围之内，电路的稳定性符合要求即可；输入最小信号时，有一定信噪比，共模抑制比大于等于60dB；带宽符合电路带宽要求即可。
运算放大器中的虚短和虚断含意
理想运放工作在线性区时可以得出二条重要的结论：
虚短
因为理想运放的电压放大倍数很大，而运放工作在线性区，是一个线性放大电路，输出电压不超出线性范围（即有限值），所以，运算放大器同相输入端与反相输入端的电位十分接近相等。在运放供电电压为±15V时，输出的最大值一般在10～13V。所以运放两输入端的电压差，在1mV以下，近似两输入端短路。这一特性称为虚短，显然这不是真正的短路，只是分析电路时在允许误差范围之内的合理近似。
虚断
由于运放的输入电阻一般都在几百千欧以上，流入运放同相输入端和反相输入端中的电流十分微小，比外电路中的电流小几个数量级，流入运放的电流往往可以忽略，这相当运放的输入端开路，这一特性称为虚断。显然，运放的输入端不能真正开路。
运用“虚短”、“虚断”这两个概念，在分析运放线性应用电路时，可以简化应用电路的分析过程。运算放大器构成的运算电路均要求输入与输出之间满足一定的函数关系，因此均可应用这两条结论。如果运放不在线性区工作，也就没有“虚短”、“虚断”的特性。如果测量运放两输入端的电位，达到几毫伏以上，往往该运放不在线性区工作，或者已经损坏。
重要指标
输入失调电压UIO
一个理想的集成运放，当输入电压为零时，输出电压也应为零（不加调零装置）。但实际上集成运放的差分输入级很难做到完全对称，通常在输入电压为零时，存在一定的输出电压。输入失调电压是指为了使输出电压为零而在输入端加的补偿电压。实际上是指输入电压为零时，将输出电压除以电压放大倍数，折算到输入端的数值称为输入失调电压,即
UIO的大小反应了运放的对称程度和电位配合情况。UIO越小越好，其量级在2mV~20mV之间，超低失调和低漂移运放的UIO一般在1μV~20μV之间
输入失调电流IIO
当输出电压为零时，差分输入级的差分对管基极的静态电流之差称为输入失调电流IIO ，即
由于信号源内阻的存在，IIO的变化会引起输入电压的变化，使运放输出电压不为零。IIO愈小，输入级差分对管的对称程度越好，一般约为1nA~0.1µA。
输入偏置电流IIB
集成运放输出电压为零时，运放两个输入端静态偏置电流的平均值定义为输入偏置电流，即
从使用角度来看，偏置电流小好，由于信号源内阻变化引起的输出电压变化也愈小，故输入偏置电流是重要的技术指标。一般IIB约为1nA~0.1µA。
输入失调电压温漂△UIO/△T
输入失调电压温漂是指在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量的比值。它是衡量电路温漂的重要指标，不能用外接调零装置的办法来补偿。输入失调电压温漂越小越好。一般的运放的输入失调电压温漂在±1mV/℃~±20mV/℃之间。
输入失调电流温漂 △IIO/△T
在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值称为输入失调电流温漂。输入失调电流温漂是放大电路电流漂移的量度，不能用外接调零装置来补偿。高质量的运放每度几个pA。
最大差模输入电压Uidmax
最大差模输入电压Uidmax是指运放两输入端能承受的最大差模输入电压。超过此电压,运放输入级对管将进入非线性区，而使运放的性能显著恶化，甚至造成损坏。根据工艺不同，Uidmax约为±5V~±30V。
最大共模输入电压Uicmax
最大共模输入电压Uicmax是指在保证运放正常工作条件下，运放所能承受的最大共模输入电压。共模电压超过此值时，输入差分对管的工作点进入非线性区，放大器失去共模抑制能力，共模抑制比显著下降。
最大共模输入电压Uicmax定义为，标称电源电压下将运放接成电压跟随器时，使输出电压产生1％跟随误差的共模输入电压值；或定义为 下降6dB时所加的共模输入电压值。
开环差模电压放大倍数Aud是指集成运放工作在线性区、接入规定的负载，输出电压的变化量与运放输入端口处的输入电压的变化量之比。运放的Aud在60～120dB之间。不同功能的运放，Aud相差悬殊。
差模输入电阻Rid是指输入差模信号时运放的输入电阻。Rid越大，对信号源的影响越小，运放的输入电阻Rid一般都在几百千欧以上。
运放共模抑制比KCMR的定义与差分放大电路中的定义相同，是差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比，常用分贝数来表示。不同功能的运放，KCMR也不相同，有的在60～70dB之间，有的高达180dB。KCMR越大，对共模干扰抑制能力越强。
开环带宽BW
开环带宽又称－3dB带宽，是指运算放大器的差模电压放大倍数Aud在高频段下降3dB所对应的频率fH。
单位增益带宽BWG是指信号频率增加，使Aud下降到1时所对应的频率fT，即Aud为0dB时的信号频率fT。它是集成运放的重要参数。741型运放的 fT＝7Hz，是比较低的。
转换速率SR (压摆率)
转换速率SR 是指放大电路在电压放大倍数等于1的条件下，输入大信号（例如阶跃信号）时，放大电路输出电压对时间的最大变化速率，见图7-1-1。它反映了运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率SR的表达式为
转换速率SR是在大信号和高频信号工作时的一项重要指标，目前一般通用型运放压摆率在1～10V/µs左右。
单位增益带宽BWG (fT)
共模抑制比KCMR
差模输入电阻
开环差模电压放大倍数Aud
运放如上图有两个输入端a,b和一个输出端o.也称为倒向输入端(反相输入端),非倒向输入端(同相输入端)和输出端.当电压加U-加在a端和公共端(公共端是电压的零位,它相当于电路中的参考结点.)之间,且其实际方向从a 端指向公共端时,输出电压U实际方向则自公共端指向o端,即两者的方向正好相反.当输入电压U+加在b端和公共端之间,U与U+两者的实际方向相对公共端恰好相同.为了区别起见,a端和b 端分别用"-"和"+"号标出,但不要将它们误认为电压参考方向的正负极性.电压的正负极性应另外标出或用箭头表示.反转放大器和非反转放大器如下图：
一般可将运放简单地视为：具有一个信号输出端口（Out）和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器。
运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。对于双电源供电运放，其输出可在零电压两侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零。采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化。
运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值。经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。这种运放称为轨到轨（rail-to-rail）输入运算放大器。
运算放大器的输出信号与两个输入端的信号电压差成正比，在音频段有：输出电压=A0（E1-E2），其中，A0 是运放的低频开环增益（如 100dB，即 100000 倍），E1 是同相端的输入信号电压，E2 是反相端的输入信号电压。
[编辑本段]类型
按照集成运算放大器的参数来分,集成运算放大器可分为如下几类。
1．通用型运算放大器
通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广,其性能指标能适合于一般性使用。例μA741（单运放）、LM358（双运放）、LM324（四运放）及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。
2．高阻型运算放大器
这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般rid＞1GΩ~1TΩ,IB为几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点,用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级,不仅输入阻抗高,输入偏置电流低,而且具有高速、宽带和低噪声等优点,但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF355、LF347（四运放）及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。
3．低温漂型运算放大器
在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中,总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP07、OP27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。
4．高速型运算放大器
在快速A/D和D/A转换器、视频放大器中,要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高,单位增益带宽BWG一定要足够大,像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。常见的运放有LM318、μA715等,其SR=50~70V/us,BWG＞20MHz。
5．低功耗型运算放大器
由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便,所以随着便携式仪器应用范围的扩大,必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。常用的运算放大器有TL-022C、TL-060C等,其工作电压为±2V~±18V,消耗电流为50~250μA。目前有的产品功耗已达μW级,例如ICL7600的供电电源为1.5V,功耗为10mW,可采用单节电池供电。
6．高压大功率型运算放大器
运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中,输出电压的最大值一般仅几十伏,输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流,集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路,即可输出高电压和大电流。例如D41集成运放的电源电压可达±150V,μA791集成运放的输出电流可达1A。
7.可编程控制运算放大器
在仪器仪表得使用过程中都会涉及到量程得问题.为了得到固定电压得输出,就必须改变运算放大器得放大倍数.例如:有一运算放大器得放大倍数为10倍,输入信号为1mv时,输出电压为10mv,当输入电压为0.1mv时,输出就只有1mv,为了得到10mv就必须改变放大倍数为100.程控运放就是为了解决这一问题而产生得.例如PGA103A,通过控制1,2脚的电平来改变放大的倍数.
[编辑本段]主要参数
1.共模输入电阻(RINCM)
该参数表示运算放大器工作在线性区时，输入共模电压范围与该范围内偏置电流的变化量之比。
2.直流共模抑制(CMRDC)
该参数用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同直流信号的抑制能力。
3.交流共模抑制(CMRAC)
CMRAC用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同交流信号的抑制能力，是差模开环增益除以共模开环增益的函数。
4.增益带宽积(GBW)
增益带宽积AOL * ƒ是一个常量，定义在开环增益随频率变化的特性曲线中以-20dB/十倍频程滚降的区域。
5.输入偏置电流(IB)
该参数指运算放大器工作在线性区时流入输入端的平均电流。
6.输入偏置电流温漂(TCIB)
该参数代表输入偏置电流在温度变化时产生的变化量。TCIB通常以pA/°C为单位表示。
7.输入失调电流(IOS)
该参数是指流入两个输入端的电流之差。
8.输入失调电流温漂(TCIOS)
该参数代表输入失调电流在温度变化时产生的变化量。TCIOS通常以pA/°C为单位表示。
9.差模输入电阻(RIN)
该参数表示输入电压的变化量与相应的输入电流变化量之比，电压的变化导致电流的变化。在一个输入端测量时，另一输入端接固定的共模电压。
10.输出阻抗(ZO)
该参数是指运算放大器工作在线性区时，输出端的内部等效小信号阻抗。
11.输出电压摆幅(VO)
该参数是指输出信号不发生箝位的条件下能够达到的最大电压摆幅的峰峰值，VO一般定义在特定的负载电阻和电源电压下。
12.功耗(Pd)
表示器件在给定电源电压下所消耗的静态功率，Pd通常定义在空载情况下。
13.电源抑制比(PSRR)
该参数用来衡量在电源电压变化时运算放大器保持其输出不变的能力，PSRR通常用电源电压变化时所导致的输入失调电压的变化量表示。
14.转换速率/压摆率(SR)
该参数是指输出电压的变化量与发生这个变化所需时间之比的最大值。SR通常以V/µs为单位表示，有时也分别表示成正向变化和负向变化。
15.电源电流(ICC、IDD)
该参数是在指定电源电压下器件消耗的静态电流，这些参数通常定义在空载情况下。
16.单位增益带宽(BW)
该参数指开环增益大于1时运算放大器的最大工作频率。
17.输入失调电压(VOS)
该参数表示使输出电压为零时需要在输入端作用的电压差。
18.输入失调电压温漂(TCVOS)
该参数指温度变化引起的输入失调电压的变化，通常以µV/°C为单位表示。
19.输入电容(CIN)
CIN表示运算放大器工作在线性区时任何一个输入端的等效电容(另一输入端接地)。
20.输入电压范围(VIN)
该参数指运算放大器正常工作(可获得预期结果)时，所允许的输入电压的范围，VIN通常定义在指定的电源电压下。
21.输入电压噪声密度(eN)
对于运算放大器，输入电压噪声可以看作是连接到任意一个输入端的串联噪声电压源，eN通常以 nV / 根号Hz 为单位表示，定义在指定频率。
22.输入电流噪声密度(iN)
对于运算放大器，输入电流噪声可以看作是两个噪声电流源，连接到每个输入端和公共端，通常以 pA / 根号Hz 为单位表示，定义在指定频率。
噪声分析计算公式
噪音计算公式dB = 10 log Ø （Ø 为音能比值，Ø 与距离 r 平方成反比）。
公式表示为：噪声系数NF=输入端信噪比/输出端信噪比，单位常用“dB”。
在放大器的噪声系数比较低的情况下，通常放大器的噪声系数用噪声温度（T）来表示。
放大电路不仅把输入端的噪声放大，而且放大电路本身也存在噪声。所以，其输出端的信噪比必小于输入端信噪比。在放大器中，内部噪声与外部噪声愈小愈好。放大电路本身噪声越大，它的输出端信噪比越小于输入端信噪比，NF就越大。
Lpi——第i个噪声源在受声点P出的声级；
Lwi——第i个噪声源的声功率级；
Lp总——受声点P出的总声级；
ΔL1——噪声随传播距离的衰减；
ΔL2——噪声被空气吸收的衰减；
ΔL3——墙壁屏障效应衰减；
ΔL4——户外建筑物屏障效应衰减。
扩展资料：
此外，噪声系数还具有下列特点：
(1)此参数不包括负载对输出噪声的贡献。
(2)噪声系数密切依赖于信号源的内阻。
(3)无噪声二端口的噪声系数为1。
(4)一个含噪声二端口总是会将其自身噪声添加到信号源的噪声，这种贡献可用(F-1)来估计。换言之，噪声系数总大于1。
(5)如果没有信号源内部阻抗的信息，噪声系数的概念是没有意义的。
(6)相对于S/N，噪声系数更便利于测量和计算，因为没有必要知道信号的振幅。此外，由噪声系数的表达式可推导m信号源电阻的最优值，而对于S/N，信号源电阻最优值是零。
参考资料来源：百度百科-噪声系数
运算放大器静态参数的测量系统
集成运放性能参数测试仪 一、集成运放性能参数测试仪性能指标 工作电压：±15V
VIO：测量范围：
0～40mV（＜小于3%读数±1个字）；
IIO：测量范围：
0～4μA（＜3%读数±1个字）；
AVD：测量范围：
60dB～120dB±3dB；
KCMR：测量范围：
60dB～120dB±3dB；
输出频率：5Hz
输出电压有效值：4 V
频率与电压值误差绝对值均小于1%； 二、设计思路： 本设计以单片机
STC89C52为控制核心，利用数模转换器ADS1110
以及继电器，为切换开关， 对被测量信号进行采样，通过单片机处
理完成对运算放大器LM741的UIO，IIO，AVC，KCMR等参数的测量。 并
通过系统显示接口，利用液晶显示装置将测试的结果进行显示，同时
本系统还能通过键盘进行人机交流，实现按下一个按键就可以对该运
放的某个参数进行测试。 三、系统结构图 四、方案比较与选择： 主控芯片部分
方案一：采用STC89C52单片机。优点是芯片结构简单，使用相
对容易；缺点是不带AD转换电路，需要外接AD转换芯片，测量精度
相对较低。
方案二：采用凌阳SPCE061A单片机。优点是自带AD转换模块，
测量精度相对较高，能进行音频处理等多种智能化功能；缺点是结构
复杂，使用起来相对繁琐。
由于此方案的核心内容在测试电路部分，主控芯片的选择对结果
的影响相对较小，综合以上芯片的性能以及自身的情况，选择使用相
对简单的STC89C52单片机。
信号发生器的选择 方案一：利用传统的模拟分立元件或单片压控函数发生器
MAX038，可产生三角波、方波、正弦波，通过调整外围元件可以改
变输出频率、幅度，但采用模拟器件由于元件分散性太大，即使用单
片函数发生器，参数也与外部元件有关，外接电阻电容对参数影响很
大，因而产生的频率稳定度较差、精度低、抗干扰能力差、成本也较
高。
方案二：采用ICL8038芯片产生信号。优点是电路简单，波形好，
控制方便，缺点是频率有限。
由于需要的频率不宽，综合以上考虑，选择电路简单，波形好，
控制方便，精度和抗干扰能力更强的ICL8038作为信号发生器。
显示模块的选择
方案一：采用液晶显示模块SVM12864（LCD）。占用I/O口多，
控制复杂，但可以显示汉字和简单图形等，功能强大
方案二：采用液晶显示模块1602。占用I/O口少，控制简单，每
行可显示16个字符。
虽然SVM12864功能相对强大，但是采用1602更为合理。因为需
要显示的参数不多，且都是英文字母和数字，因此选择控制简单的
1602液晶显示模块。
五、测量原理 2.1 失调电压
Vios
理想运放当输入电压为零时，其输出电压也为零，但实际运放电路当输入电压为零时，其输出端仍有一个偏离零点的直流电压Vios。这是
由于运放电路参数不对称所引起的（在室温25度 和标准电源电压下）
为了使这一输出直流电压Vios 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。这个加在输入端的电
压即为输入失调电压Vios（显然Vios越小，说明运算放大器参数的对
称性越）
2.2 失调电流Iio
运放的输入偏置电流是指运放输入级差分对管的基极电流IB1，IB2，
其中IB1指同相输入端基极电流，IB2指反相输入端基极电流运放的输
入失调电流是指当运放输出电压为零时，两个输入端静态电流的差
值，即Iio=IB1- IB2"（显然：Iio的存在将使输出端零点偏移! 信号
源阻抗越高，失调电流的影响越严重）
2.3 共模抑制比K C M R
表征运放对共模信号抑制能力的参数叫共模抑制比! 用KCMR表示。
KCMR定义为差模电压增益Avd 和共模电压增益Avc 之比，即KCMR =
Avd/Avc。运放对共模信号有很强的抑制能力。
2．4 开环放大倍数的测量
即输出电压与输入电压的比值。
六、电路设计 3.1 失调电压
VIO测量电路
输入失调电压的测量原理如图1所示：图中直流电路通过RI和RF接成闭合环路， 通常RI的取值不超过100欧
测量电路：
测量方法：
根据输入失调电压的定义得：
3.2 失调电流IIO测量电路
测量电路：
和上面一样， 则：
3.3 共模抑制比KCMR 测量电路
测试原理如图所示,由于RFRI，电路对差模信号的增益很大，该闭
环电路对差模信号的增益AvD= RF/RI。共模信号的增益AvC=
（VO/VS)。因此，只要从电路上测出VO 和VS，即可求出共模抑制比
KCMR = Avd/Avc
3．4 开环放大倍数的测量
测量电路如图。
实际的测量电路：由于考虑到输出处会有自激震荡产生，因此在OP177的输出口和正向
输入端加上一个电容，用以消除自激震荡的影响。
实现各个测量电路的转换，我使用继电器、通过单片机对引脚的
置位来改变开关的通断以及接通的相应电路。
S1、S2闭合，S3、S4接地时，测量失调电压；
S1、S2断开，S3、S4接地时，测量失调电流；
S1、S2闭合，S3接信号源，S4接地时，测量共模抑制比；
S1、S2闭合，S3接地，S4接信号源时，测量开环放大倍数。
以下为其他模块的电路：
1．整流转换电路：
2．单片机控制及液晶显示模块电路：
3．信号发生电路
电路总图:
画图原理图中存在的问题：
由于原理图的元件库中没有ADS1110、继电器、ICL8038等元件，因此这些元件都需要自己手动画元件，这也是画图中存在的最大问
题。要将该元件的引脚与实际元件的引脚要对应。可以说，在画原理
图的过程中没有存在很大的障碍。 六、软件仿真 仿真软件使用的是multisim2001。
在明确了软件以后，就着手进行各个部件的仿真。由于集成运
放性能参数测试仪的核心内容为测量电路部分，控制以及整流部分对
于电路来说只是起到一个辅助和提高测量准确度的作用，因此，仿真
内容的重点也在于此。本次仿真只针对测量电路进行，验证测量电路
方案的准确与否。下面就对四部分测量电路进行仿真。仿真内容中的
被测量集成运算放大器为LM741，将测量结果与LM741元件的提供参
数作对比，即可以对比测量的参数与元件所给的参数是否相同或接
近，从而确定测量电路是否正确，以及电路测试参数的准确性。下面
开始仿真。
1．输入失调电压的仿真：
如图所示，即为输入失调电压的仿真电路以及输出量。
输出电压为VE=0.513V，Ri=100欧，Rf=51K欧
则根据输入失调电压计算公式：
（VE即为如图所示的输出电压）
输入失调电压为1.00mV 。LM741的元件手册提供的输入失调电
压的标准值为1mV，则测量结果在LM741提供的参数范围之内。可以采
用这个测量电路测量输入失调电压。
2．输入失调电流仿真：
如图所示，即为输入失调电流的仿真结果以及输出量
根据输出失调电流的测量公式
Ri=100欧，Rf=51K欧，VE2就是图中电压表所示的电压值。VE2也为测量的值，11.979V
VE1为输入失调电压测试电路中的输出值。VE1=0.513V
计算得输入失调电流Iio=44.0nA。LM741的元件手册提供的输入
失调电流的范围20nV-200nV，则测量结果44.0nA在LM741提供的参数
范围之内。可以采用这个测量电路测量输入失调电流。
3．开环电压增益的仿真。
电路如图：
根据开环放大倍数的计算公式
计算结果在误差范围内。Vs为输入信号的电压值，VE为输出的
电压值，R1=R2=30K欧，Ri=100欧，Rf=51K欧。Vs=4V,VE=6.548mV。
由于输入信号电压显示的是最大值，因此计算时必须将它转化为有效
值，则Vs=2.83V。
代入公式计算后，计算得AVD=106.88db LM741的元件手册提供的开环放大倍数的范围50db-200db，则测
量结果106.88db在LM741提供的参数范围之内。可以采用这个测量电
路测量开环放大倍数。
4．共模抑制比测量仿真
测量结果如图
根据共模抑制比的测量公式：
Vs有效值为2.83V，Ri=100欧，Rf=51K欧。
代入公式，计算得KCMR=93.1db
LM741的元件手册提供的共模抑制比的最小值为70db，标准值为
90db，则测量结果93.1db接近标准值，在LM741提供的参数范围之内。
可以采用这个测量电路测量开环放大倍数。
仿真过程中存在的问题：在开始时，我碰到了电阻参数不匹配的问题，一级运放的电阻原来为100K欧，但是仿真结果与指标差别很
大，因此我就将该电阻减小为51K欧，并将其他相关电阻均减小1倍，
之后得出的参数就符合指标了。由于没有考虑到输出处会有自激震荡
产生，结果造成共模抑制比的测量中存在了很大误差，在多次测试，
最后决定在OP177的输出口和正向输入端加上一个电容，消除了自激
震荡的影响，保证了输出结果的准确性。
电路仿真的心得：通过对上述四个测量电路的仿真，我得出的
结论是，这些测量电路测量出来的结果符合设计要求。可以说，此测
试仪的最核心部分测试电路完全可以采用上面所述的四个测量电路
的方案。但是，在测试过程中也存在一些小问题，通过仿真也发现了
原先测量电路中存在的不足之处，例如：由于没有考虑到输出处会有
自激震荡产生，结果造成共模抑制比的测量中存在了很大误差，最后
在OP177的输出口和正向输入端加上一个电容，消除了自激震荡的影
响，保证了输出结果的准确性。通过对电路的仿真，我得以修正和优
化原先的测量电路，使得测量电路更加完整、精确，为成功做板以及
硬件和软件的调试打下坚实的基础！ 七．元件清单 下列元件为需要购买的元件清单
王凯的元件清单
中文名称 功能 英文名称 封装 数量 备注
串行模数转16位AD转ADS1110 SOT23 1 换器 化
51单片机 单片机 STC89C52R2 DIP40 1
可调三端稳
压集成电路
三端稳压 LM337 TO-220 1
可调三端稳
压集成电路
三端稳压 LM317 TO-220 1
波形发生器 波形发生
器
ICL8038 DIP14 1
运算放大器 放大 OP177 DIP8 1
继电器 开关 5 直流吸合
电压5V
三极管 放大 8050 TO-92B 5
按键 按键 4*3mm 5
100欧电阻 电阻 0.25W AXIAL0.4 2
510K欧电阻 电阻 0.25W AXIAL0.4 2
51K欧电阻 电阻 0.25W AXIAL0.4 2
30K欧电阻 电阻 0.25W AXIAL0.4 2
15K欧电阻 电阻 0.25W AXIAL0.4 1
82K欧电阻 电阻 0.25W AXIAL0.4 1
200K可调欧
电阻
电阻 0.25W AXIAL0.4 1
10K欧电阻 电阻 0.25W AXIAL0.4 8 10K欧可调
电阻
电阻 0.25W AXIAL0.4 1
1K欧电阻 电阻 0.25W AXIAL0.4 1
电容 无极电容 100nF RAD0.1 1
电容 无极电容 30pF RAD0.1 2
电容 无极电容 3300pF RAD0.1 1
电容 有极电容 1uF RB.2/.4 2
电容 有极电容 100uF RB.2/.4 1
电容 有极电容 0.1uF RB.2/.4 1
6MHz晶体震
荡器
晶体震荡
器
6MHz XTAL1 1
二极管 二极管 1N4148 DIODE0.4 2
液晶显示模
块
液晶显示 1602 1
插针 插针 40颗
芯片插座 插芯片 DIP40 1
三端稳压集
成块
稳压 7805 TO-220 1
三端稳压集
成块
稳压 7812 TO-220 1
三端稳压集
成块
稳压 7912 TO-220 1 精密可调电
位器
5K可调电
位器
SIP3 1
运算放大器 放大 OP07 DIP8 2
八．系统硬件设计 电路的PCB设计 测量电路模块
主要芯片为两块集成运放（其中一块为待测的运放）和四个继电器。 电源模块
主要部分是稳压器7805、7812、7912以及6个电解电容。 液晶显示和控制模块 主要部分为单片机、液晶显示1602和四个控制按键五个三极管等。 信号发生模块 主要芯片是波形发生器ICL8038，运放。 整流转换模块
主要部分是ADS1110和一块运放。 PCB总图
PCB板的设计心得：我的这块板的大小为12.5CM×12.2CM，和
其他同学的分模块制板再通过连线连接的方案相比，我的这块板要小
很多。对于元件的排列和布置，我本着“属于同一模块的元件尽量排
列在一起”的原则布置，最后再将四个模块靠近，这样不仅做到了各
模块排列清晰，一目了然，而且这样排列更能方便各模块的分开调试。
图中，左下角为液晶显示和电路控制模块，右上角为测量电路模块，
右边为整流转换模块，右下角为信号发生电路，上方为电源稳压模块。
我的PCB方案将所有元件和模块集成在一块板上，避免了各个模块间
的连线调试以及模块间协同工作的可靠性的问题，做到了实用性和美
观的统一。因为不需要考虑高频信号的干扰，所以元件间的距离间隔可以尽量调小，并且大胆使用了一定量的跳线。最后，我在板的地线
上覆铜，不仅进一步减少了干扰，而且使板更为美观，同时也为焊板
降低了一定的难度。以实际做出来的板的效果来看，总体说来，我所
画的这块PCB板的效果还是很好的，在调试过程中出现的问题也不多，
而且只要简单修改就可以正常工作，我对此很满意的。
画板过程中碰到的问题：有些元件的封装，例如ADS1110、继电
器，在封装库内并没有给出；另外还有一些元件封装在封装库内没有
合适的，例如部分电解电容，所以这些元件的封装都需要自己另外画。
元件引脚的位置、焊盘的大小必须与实际元件一致，否则会造成元件
无法安插的板上的问题，而且焊盘的大小要适当加大，在布线的过程
中，应尽量把线布粗，电源线和地线还要另外加粗。另外，为了能将
板尽量地做小，我将原理图中的四个模块紧密排列，全部集成在一块
板上。由于所有的模块都集成在一块板上，所以做出的这块板还是存
在一点的不方便，比如，一旦某个模块出现问题，要做出修改就要相
对麻烦一些，有时甚至会涉及到其他模块，在实际的电路调试中我就
尽量少地把改动涉及到其他模块。
九．系统的软件设计 1．程序设计流程图：
2．程序清单：
程序采用C语言编译，根据单片机的特性，我尽量不使用浮点数。
#includereg51.h
sbit K0=P2^4;//定义开关K0的引脚编号
sbit K1=P2^5;//定义开关K1的引脚编号
sbit K2=P2^6;//定义开关K2的引脚编号
sbit K3=P2^7;//定义开关K3的引脚编号
sbit SD0=P0^0;//对应继电器1的输出口引脚
sbit SD1=P0^1;//对应继电器2的输出口引脚
sbit SD4=P0^2;//对应继电器5的输出口引脚
sbit SD2=P0^3;//对应继电器3的输出口引脚 sbit SD3=P0^4;//对应继电器4的输出口引脚
sbit SCL=P0^5;
sbit SDA=P0^6;
sbit E=P3^0;
sbit RW=P3^1;
sbit RS=P3^2;
unsigned char code
JP[]={0xc6,0xce,0xdd,0xbc,0xde,0xdd,0xa4,0xbc,0xdd,0xc3,0xd
e,0xb8,0xda,0x21,0x00};
unsigned char code EN[]="zaku,kohaku";
unsigned char code SRSTDY[]="V_offset=";
unsigned char code SRSTDL[]="I_offset=";
unsigned char code KHZY[]="A_ol=";
unsigned char code GMYZB[]="CCMR=";
void initial(void);
void clear(void);
void display(unsigned char pos,unsigned char word);
void set(unsigned char cmd);
void delay(unsigned char t);
void k0(void);
void k1(void);
void k2(void); void k3(void);
unsigned char c;
void main(void)
{
unsigned char i;
P2=0xff;
c=0x80;
initial();
i=0;
while(JP[i])
{
display(0x80+i,JP[i]);
i++;
}
i=0;
while(EN[i])
{
display(0xc0+i,EN[i]);
i++;
}
while(K0K1K2K3);
clear(); L:if(K0K1K2K3) //检测是否有按键按下
{
delay(0xff);
delay(0xff);
if(!K0)
k0();
if(!K1)
k1();
if(!K2)
k2();
if(!K3)
k3();
}
goto L;
}
void initial() //液晶模块初始化
{
clear();
set(0x38);
set(0x0c);
set(0x10);
clear(); }
void clear(void) //复位子程序
{
unsigned char t0;
t0=0x40;
P1=0x01;
RS=0;
RW=0;
E=0;
while(t0--)
delay(0xff);
E=1;
}
void display(unsigned char pos, unsigned char word) //
液晶显示子程序
{
set(pos);
P1=word;
RS=1;
RW=0;
E=0; delay(16);
E=1;
}
void set(unsigned char cmd)
{
P1=cmd;
RS=0;
RW=0;
E=0;
delay(16);
E=1;
}
void delay(unsigned char t) //延时子程序
{
while(t--);
}
void k0(void) //测量失调电压
{ unsigned char i;
delay(0xff);
SD0=1;
SD1=1; SD2=1;
SD3=1;
SD4=0;
while(SRSTDY[i])
{
display(0x80+i,SRSTDY[i]);
i++;
}
{int a,b,c;
c=100*a;
b=c/(51000+100);
display (0xc0,b);}//在第二行显示输入失调电压
}
void k1(void) //测量失调电流
{ unsigned char i;
delay(0xff);
while(SRSTDL[i])
{ display(0x80+i,SRSTDL[i]);
i++;
}
SD0=1;
SD1=1;
SD2=0;
SD3=0;
SD4=0;
delay(0xffff);
SD0=1;
SD1=1;
SD2=0;
SD3=0;
SD4=1;
{int a,b,c,d,e;
d=100*a;
e=100*b;
c=(d-e)/(51000+100);
display (0xc0,c);}//在第二行显示输入失调电流的结果
} void k2(void) //测量开环增益
{ unsigned char i;
delay(0xff);
while(KHZY[i])
{
display(0x80+i,KHZY[i]);
i++;
}
SD0=0;
SD1=1;
SD2=1;
SD3=1;
SD4=0;
{int a,b,d,c;
c=a*100;
b=511*c/283;
//d=20*log 10 b;
display (0xc0,d);}//在第二行显示开环增益的结果
} void k3(void) //测量共模抑制比
{ unsigned char i;
delay(0xff);
while(GMYZB[i])
{
display(0x80+i,GMYZB[i]);
i++;
}
SD0=1;
SD1=0;
SD2=1;
SD3=1;
SD4=0;
{int a,b,c;
c=1000*a;
b=(51000+100)*c/283000;
display (0xc0,b);}//在第二行显示共模抑制比 十．系统调试 根据方案要求，系统调试分三大过程，硬件调试、软件调试、软
件和硬件联调。 1． 硬件调试：
由于电路的各个模块都集成于一块板上，为方便电路中各
模块的调试，我采用焊一个模块调一个模块的方法，以达到各个
模块调节的目的。
2． 软件调试
本系统的软件系统采用C语言编写，调试也是分模块调试。
3． 软硬联调
硬件和软件分别调试成功后再用系统的程序测试，调试。
十一.设计总结 通过本次课程设计，让我深入了解了AT89S52的内部结构和运行
原理以及集成运放的性能参数指标。更让我明白了要灵活运用我们所
学的知识去发现问题、分析问题和解决问题。这次的设计从硬件设计
到软件设计以及相应的调试都花费了不少心思，也碰到了不少问题，
但都解决了，积累了宝贵的经验，现总结如下：
1． 我做板的经验少，在排列元件的时候没有注意到整洁
美观的问题，排得比较辛苦，只有多练才能做地更好。
2． 设计电路要考虑实际中的问题，比如继电器等元件的
封装都要自己做。
3． 在PCB板放置元件，要考虑元件间的干扰问题，还有布
线宽度，电源线加粗，地线覆铜，管脚和焊盘要足够
大。 4． 制板要让板的布线清晰，打洞要准，总之做板要工整。
5． 编程尽量要使用AT89S52芯片的硬件设备。
运算放大电路的线性应用的实验总结和误差分析？？
误差原因：1、读数误差
2、仪表存在误差；
3、集成电路内部噪声及电阻电容参数热噪声
4、电阻电容等元器件的实际值与标称值之间存在误差；
5、电源电压的波动
6、运算放大器不是理想的，但当做了理想模型，参数本身就存在误差，如放大倍数
输入阻抗
输出阻抗、虚短、虚断等
运算放大器的工作原理
运算放大器的工作原理是对于双电源供电运放运算放大器电路固有噪声的分析与测量，其输出可在零电压两侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零。采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化。
运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值。经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。这种运放称为轨到轨（rail-to-rail）输入运算放大器。
运算放大器的输出信号与两个输入端的信号电压差成正比，在音频段有运算放大器电路固有噪声的分析与测量：输出电压=A0（E1-E2），其中，A0 是运放的低频开环增益（如 100dB，即 100000 倍），E1 是同相端的输入信号电压，E2 是反相端的输入信号电压。
扩展资料
运算放大器参数：
（1）共模输入电阻
该参数表示运算放大器工作在线性区时，输入共模电压范围与该范围内偏置电流的变化量之比。
（2）直流共模抑制
该参数用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同直流信号的抑制能力。
（3）交流共模抑制
CMRAC用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同交流信号的抑制能力，是差模开环增益除以共模开环增益的函数。
（4）增益带宽积
增益带宽积是一个常量，定义在开环增益随频率变化的特性曲线中以-20dB/十倍频程滚降的区域。
（5）输入偏置电流
该参数指运算放大器工作在线性区时流入输入端的平均电流。
功率放大器噪声大一般是什么原因引起的?
音响功放杂音大有多方面的原因：电源——电源变压器漏磁较大、屏蔽不良；整流滤波元器件参数不合理或质量不好；正负电源严重不对称；电路中，级间耦合电容或退耦元器件漏电、变质，形成过激励或自激及严重交流声；元器件虚焊或脱焊，造成放大电路工作点变化较大，接近饱和或截止状态，波形出现严重失，电压放大或功率放大晶体管、集成电路等过热、变质，产生热噪声或输出中点严重偏移失真；扬声器音圈变形、散圈与磁隙摩擦，或纸盆、折环严重破裂，放音失真；音量电位器损坏，滑动触点与碳膜接触不良，产生不规则噪音。
可从电源查起；然后由后级向前级（推荐，便于操作）或由前级向后级逐级检查。检查时可用万用表电阻档测量关键点静态电阻，用电压表测量关键点电压及各级放大元器件工作点、末级输出中点电压值等方法，对可疑元器件可用截止法、短路和开路法查找故障部位，还可用替换法判定鉴别有的元器件测量正常，但加电后不能正常工作的元件。由于现在的音响功放都是双声道的，可两个声道电路对比检测，除电源、接地等公用电路故障外，两个声道故障多数不会完全一致。“有比较才有鉴别”，因此，一般情况下，故障查找应不会很困难的。只有一种情况，即自己设计，自己制作电路板，因电路板布线，尤其是地线走线不合理产生的“先天性”杂音（大多是交流声）故障较难查找。但只要电路原理无错误，元器件都无损坏，检查和排除这样的故障也是很有乐趣的一件事。
写到这里，本文关于运算放大器电路固有噪声的分析与测量和运算放大器电路固有噪声的分析与测量方法的介绍到此为止了，如果能碰巧解决你现在面临的问题，如果你还想更加了解这方面的信息，记得收藏关注本站。
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