THS4271集成電路實(shí)驗(yàn)特性及其應(yīng)用

彭玉峰，金 龍，林思宏，趙 越

（河南師范大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453007）

雖然經(jīng)過多年的發(fā)展，在現(xiàn)代集成電路與系統(tǒng)芯片（System on Chip，SoC）中，集成電路運(yùn)算放大器的應(yīng)用依然非常廣泛，并往往由應(yīng)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(yùn)算放大器的研究經(jīng)久不衰[1]。文中結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目的需要，對THS4271集成運(yùn)放的主要參數(shù)進(jìn)行了測試，并對結(jié)果和其應(yīng)用進(jìn)行了討論，利于今后實(shí)驗(yàn)的開展，同時(shí)為器件的使用者提供參考。

1 芯片介紹

THS4271是TI公司生產(chǎn)的低噪聲，高壓擺率，單位增益穩(wěn)定電壓反饋放大器，其設(shè)計(jì)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(wěn)定的特性，使得THS4271具有高性能的表現(xiàn)。此放大器的使用者可以在一個(gè)較寬的頻帶上獲得實(shí)驗(yàn)所需的較高的動態(tài)范圍，而不必為放大器在失償期間的穩(wěn)定性擔(dān)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(shù)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(shù)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(shí)驗(yàn)原理

2.1 輸入失調(diào)電壓

理想運(yùn)算放大器（簡稱運(yùn)放）的輸入信號為零時(shí)，其輸出直流信號也應(yīng)該為零。但實(shí)際上如果沒有外界的調(diào)零措施，由于運(yùn)放內(nèi)部參數(shù)不完全對稱，輸出電壓往往不為零。這種輸入為零時(shí)輸出不為零的現(xiàn)象稱為集成運(yùn)放的失調(diào)。

在室溫和標(biāo)準(zhǔn)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(gè)直流電壓作為補(bǔ)償電壓，以抵消偏離零點(diǎn)的輸出電壓，而這個(gè)加在輸入端的電壓即被稱為輸入失調(diào)電壓UIO。顯然，UIO數(shù)值越小，說明運(yùn)放的參數(shù)對稱性越好。

2.2 輸入失調(diào)電流

2.3 共模抑制比

共模抑制比是用來表征運(yùn)放對共模信號抑制能力大小的參數(shù)。定義為運(yùn)放的差模電壓放大倍數(shù)Ad與共模電壓放大倍數(shù) AC之比：CMRR=Ad/AC；用分貝表示：CMRR=20lg（Ad/AC）dB。共模抑制比在應(yīng)用中是一個(gè)很重要的參數(shù)，理想運(yùn)放對輸入的共模信號輸出為零，但在實(shí)際的集成運(yùn)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(yùn)放對共模干擾信號的抑制能力越強(qiáng)，即CMRR越大。

2.4 開環(huán)差模放大倍數(shù)

3 測試電路，數(shù)據(jù)及分析

3.1 輸入失調(diào)電壓測量

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

3.2 輸入失調(diào)電流測量

輸入失調(diào)電流IIO的大小反映了運(yùn)放內(nèi)部差動輸入級兩個(gè)晶體管β的適配度，由于IB1和IB2本身的數(shù)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(guān)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(diào)電壓UIO引起的輸出電壓。

綜上所述，將兩次測得的數(shù)據(jù)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(diào)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(yùn)放在閉環(huán)狀態(tài)下的差模電壓放大倍數(shù)為Ad=Rf/R1，當(dāng)接入共模輸入信號幅值為UiC時(shí)，測得輸出幅值為UOC，則共模電壓放大倍數(shù)為AC=UOC/UIC，得到共模抑制比CMRR=Ad/AC=Rf·UIC/（R1·UOC）。實(shí)驗(yàn)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(huán)差模放大倍數(shù)

由于集成運(yùn)放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)很高，難以直接進(jìn)行測量，一般采用閉環(huán)電路。Aud的測試方法很多，現(xiàn)采用交，直流同時(shí)閉環(huán)的測試方法，如圖4所示[1]。被測運(yùn)放一方面通過Rf，R1，R2完成直流閉環(huán)，以抑制輸出電壓漂移，另一方面通過Rf和 Rs實(shí)現(xiàn)交流閉環(huán)，外加信號 Us經(jīng) R1、R2分壓，使 Ui足夠小，以保證運(yùn)放工作在線性區(qū)，同相輸入端電阻R3應(yīng)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(yùn)放的放大倍數(shù)Aud=UO/Ui=（1+R1+R2）*UO/Ui，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，Aud=50.81 dB。

圖4 開環(huán)差模放大倍數(shù)測試電路Fig.4 Open-loop differential-mode magnification test circuit

3.5 測試時(shí)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(shí)考慮運(yùn)放的頻率響應(yīng)特性和輸出幅度的限制。運(yùn)放工作在非線性區(qū)，輸入頻率過高，幅度過大等都會導(dǎo)致測量結(jié)果的偏差。

3.5.2調(diào) 零

為提高運(yùn)算精度，在運(yùn)算前，應(yīng)首先對直流輸出電位進(jìn)行調(diào)零，即保證輸入為零時(shí)，輸出也為零。因THS4271沒有調(diào)零端子，實(shí)驗(yàn)時(shí)如果需要調(diào)零可采取如圖 5 中的（a），（b）[3]兩種方式進(jìn)行，只需按組件要求接入調(diào)零電位器RP，細(xì)心調(diào)節(jié)RP，使UO為零，即可實(shí)現(xiàn)調(diào)零。輸入端失調(diào)值為零，也會減小對測量數(shù)據(jù)的影響。

圖5 電路圖Fig.5 Circuit diagram

3.5.3消 振

集成運(yùn)放自激時(shí)，表現(xiàn)為輸入為零，也會有輸出，使運(yùn)放的各種運(yùn)算功能無法實(shí)現(xiàn)，嚴(yán)重時(shí)還會損壞器件。消振方法：可以通過外接RC補(bǔ)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(yīng)用實(shí)例

4.1 輸出緩沖器

THS4271可以作為數(shù)模轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換器5675由差分雙端輸入到單端輸出的轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，可以用它來實(shí)現(xiàn)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(yīng)的輔助元件后，都可以實(shí)現(xiàn)。圖7給出了一個(gè)簡單的兩極點(diǎn)低通濾波器，極點(diǎn)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(jī)

同時(shí)使用一對THS4271構(gòu)成電路，可以實(shí)現(xiàn)高速，低失真，低噪聲的差分接收電路。兩個(gè)放大器同時(shí)工作在同相模式下，電路從負(fù)載到源端呈現(xiàn)高阻抗。此電路可以通過控制終端阻抗按照實(shí)際需要，實(shí)現(xiàn)源端和負(fù)載端阻抗的匹配[6]。

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

5 結(jié)束語

文中通過實(shí)驗(yàn)對THS4271運(yùn)放的主要參數(shù)：輸入失調(diào)電壓和電流，共模抑制比，開環(huán)差模放大倍數(shù)進(jìn)行了測量，并對可能產(chǎn)生誤差的原因及需要考慮的問題進(jìn)行了討論。通過實(shí)例介紹可以看出，用THS4271可以搭建多種實(shí)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(qū)動電路，線性低噪聲高增益模數(shù)轉(zhuǎn)換器前置放大器，說明它具有很廣的應(yīng)用范圍。對電路經(jīng)過簡單改造還可以實(shí)現(xiàn)不同的功能，同時(shí)說明THS4271在不同電路的實(shí)現(xiàn)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(rèn)識和了解，對今后開展與之有關(guān)的學(xué)習(xí)和研究有一定的參考價(jià)值。

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