※正达电路板故障检测设备：[运放]运算放大器全面功能测试

【正达电路板故障检测设备系列论文】

 

 

运算放大器全面功能测试

 

 

摘要：（【正达电路板故障检测设备系列论文】）运算放大器可以工作在线性区和非线性区，具有线性应用和非线性应用两种工作方式。针对运放功能特点，正达测试仪对应的运放功能测试方法为：运放波形功能测试和运放放大功能测试。

 

关键词：线性应用；非线性应用；运放波形功能测试；运放放大功能测试

 

0.前言

    旅游部门评定酒店。A城市评定方法：只对酒店做外观观察。若某酒店门窗破损外墙皮脱落，一定不是好酒店。若某酒店门窗完好外墙干净，应该是好酒店。通过改进观察技术，发现某酒店一块玻璃上存在一小块灰尘，或许不是好酒店。B城市评定方法：除了外观观察之外，一定要进入酒店内部。检查酒店的软硬件设施和服务运转情况。

    A城市的评定方法简单便捷。有合理性，也有盲目性。就如同使用电路测试仪对器件进行VI曲线测试。B城市的评定方法科学准确，结论可靠。就如同使用电路测试仪对器件进行功能测试。

    本文为：器件功能测试之——对运算放大器全面功能测试。

 

1.运放波形功能测试原理

 

1.1运放线性应用

    运放稳定工作在线性区，应处于负反馈条件下。此时，运放满足虚断和虚短两个特性。虚断是由于运放输入阻抗很大造成的，同相输入端U+和反相输入端U_近似于无电流出入，电流可以忽略不计，称作虚断。由于运放对两个输入端压差具有几万倍甚至几百万倍的放大倍数，受制于电源电压的限制，因此运放同相输入端U+和反相输入端U_之间的压差必然极小，两个输入端近似于等电位，称作虚短。

 

1.2运放电压跟随器电路

    电压跟随器是运放线性应用中的简单电路，电压放大倍数近似于1倍，在电路中具有缓冲和隔离作用。电压跟随器输出端Uo直接负反馈接到反相输入端U_,由于满足虚短特性，U_应和同相输入端U+等电位，所以输出端Uo和输入信号Ui（施加在同相输入端U+）相等。见图1.

 

图1    电压跟随器是运放线性应用中的简单电路

 

1.3运放波形功能测试原理

    运放波形功能测试的原理是：将被测运放的输出端Uo和反相输入端U_模拟连通，构成电压跟随器的形式后进行测试。检测运放是否满足Uo=Ui的线性变化。

    将被测运放输出端Uo和反相输入端U_模拟连通是通过正达测试仪软硬件自动实现的，使用者无须人为干预。测试波形通过TV曲线（时间-电压曲线）施加，比较运放输出端Uo波形和输入端Ui波形这两者曲线的重合程度。

 

2.运放波形功能测试

 

2.1运放离线波形功能测试的器件放置

    以离线测试双列直插式封装型号为LF444ACN的四运放为例。正确连接离线测试板。将LF444ACN有缺口的一端朝向锁紧手柄端，并沿锁紧插座上端对齐放置。根据测试软件中的“电源提示”，将该器件电源管脚对应的POWER+（正电源）、POWER–（负电源）拨码开关打开，并连接测试电源线。见图2.

 

图2    离线测试双列直插式封装型号为LF444ACN的四运放

 

2.2运放波形功能测试软件设置

    ①工作模式：选择“波形测试”。

    ②器件工作电源：由于运放的供电方式具有多样性，测试软件“器件提示信息”中“供电管脚”提示的是该运放可选用的最高测试电源电压，并非是必须按照这个电源电压施加。离线测试时可以按照“供电管脚”提示施加电源。在线测试时应该根据运放在线的实际情况在“器件工作电源”选项进行调整。同时，用电源钩在电路板上正确施加测试电源。

    ③指定允许误差：由于被测运放被构筑成电压跟随器形式，理论上其输出端Uo波形和输入端Ui波形这两者应完全重合。运放波形功能测试时，比较输出端Uo波形和输入端Ui波形，若两者重合程度在允许误差范围之内，则运放波形功能“正确”。若超出允许误差，则运放波形功能“失败”。可以根据实测具体情况对允许误差进行调整。

    ④输入匹配阻抗：自动施加在运放同相输入端U+的匹配电阻。在线运放波形功能测试时，通过调整输入匹配阻抗，可以达到更好的测试效果。

    ⑤输出匹配阻抗：自动施加在运放输出端Uo的匹配电阻。在线运放波形功能测试时，此项应选择空载状态。离线运放波形功能测试时通过调整该匹配阻抗，可以观察运放输出波形的失真度。

    ⑥正弦信号幅值：运放波形功能测试时施加的输入信号幅度，同时也是运放正常输出的电压摆幅。有些故障运放只有在不同输出电压摆幅下才会表现出来，实测过程中可以选择一次高幅值和一次低幅值分别测试。

    ⑦正弦波形点数：测试默认为512点/单周期。降低测试点数，会相应增加测试周期。

    ⑧动态测试：可以逐一动态测试运放内部各个单元的波形。

    ⑨静态测试：对运放内部各个单元的波形一次性完成测试。

    ⑩选择测试器件：运放器件库中共有数千种型号。还可以通过“填表方式扩充运放器件库”方式对器件库中没有的运放型号自行扩充。

    例如：对LF444ACN进行波形功能静态测试。在“选择测试器件”中调出LF444进行测试。

    对LF444ACN内部4组同相输入端U+分别施加一个正弦波信号Ui，提取其对应的4组输出信号Uo.LF444ACN内部4组Uo和Ui波形应该分别完全重合在一起。若某组Uo和Ui波形不重合，并超出允许误差，则该运放功能有故障。见图3.

 

图3    对LF444ACN四运放线性波形测试

 

2.3运放波形功能测试结果说明

    测试结果中：白色波形为输入信号Ui，绿色波形为运放实际输出信号Uo.由于波形完全重合，绿色输出信号Uo波形和白色输入信号Ui波形混为一体。

    理论上，对于一个无故障运放来说，Uo和Ui这两个波形都应当是完整和不失真的正弦波形，并且完全重合。实际测试时，运放的输入和输出波形可能会存在一些误差，不完全重合。可以根据实际具体情况设定测试允许误差，用以判断运放功能故障。

    有些运放在高输出电压摆幅下，输出信号Uo波形和输入信号Ui波形能够基本重合。在低输出电压摆幅下，输出信号Uo波形和输入信号Ui波形相差很大。或者情况正好相反。这种情况通常是有故障的运放。

    在线运放波形功能测试，输出匹配阻抗测试一般选择空载状态。离线运放波形功能测试，有些运放在选择较低的输出匹配阻抗测试时，输出信号Uo波形失真很严重。这说明这个运放的驱动能力达不到该输出匹配阻抗的测试环境要求。据此可以比较这种型号运放相互之间的驱动能力差异。

 

3.运放放大功能测试原理

 

3.1运放非线性应用

    在非负反馈条件下，运放同相输入端U+和反相输入端U_之间一个相对大一点的压差，便可以使运放工作在非线性区。此时，虚短特性不再成立，运放就如同一个电压比较器。若同相输入端U+电压高，输出端Uo正向饱和，输出值接近于正电源电压。若反相输入端U_电压高，则输出端Uo负向饱和，输出值接近于负电源电压。这就是运放的非线性应用，运放放大功能测试的原理也正是建立在运放非线性应用这个基础上的。

 

3.2模拟器件功能测试通道

    运放放大功能测试需要施加和采集-12V~+12V范围模拟信号，测试结果以运放电压输出峰值参数的形式显示，即运放输出端Uo接近于正/负电源电压的电压输出值。运放电压输出峰值参数是一个重要的参数指标，不但能够反映出相同类型、不同型号运放之间的性能差异，也能够反映出某个运放内部各个单元的性能一致性。之前介绍过的电压跟随器TV曲线测试形式不再适用，必须采用模拟器件功能测试通道进行测试。

 

3.3运放放大功能测试的优势

    正达测试仪具有模拟器件功能测试通道，可以完成运放放大功能测试。这项测试具有独特优势，例如：能够区分不同运放之间的特性差异。能够观察运放内部各个单元的性能一致性。能够对运放复杂的在线连接关系自适应判别，自动调整施加的测试信号。能够直接测试音频运放等功率型运放器件。详见论文《模拟器件功能测试通道与运放放大功能测试》一文。

 

4.运放放大功能测试

 

4.1运放离线放大功能测试的器件放置

    同样以离线测试双列直插式封装型号为LF444ACN的四运放为例。见图2.

 

4.2运放放大功能测试软件设置

    ①工作模式：选择“放大测试”。

    ②器件工作电源：由于运放的供电方式具有多样性，测试软件“器件提示信息”中“供电管脚”提示的是该运放可选用的最高测试电源电压，并非是必须按照这个电源电压施加。离线测试时可以按照“供电管脚”提示施加电源。在线测试时应该根据运放在线的实际情况在“器件工作电源”选项进行调整。同时，用电源钩在电路板上正确施加测试电源。

    ③指定允许误差：运放实测输出幅值和理论值之间所允许的最大偏差。例如：+12V供电时，默认允许误差值是2.4V.若实测结果在允许误差范围之内，则运放放大功能“正确”。若超出允许误差，则运放放大功能“失败”。可以根据实测具体情况对允许误差进行调整。

    其它软件设置从略。

    按“开始测试”按钮。见图4.

 

图4    对LF444ACN四运放放大功能测试

 

4.3运放放大功能测试的电压输出峰值参数

    在测试结果中，除了显示运放内部各个单元功能是否正确外，还显示运放输出管脚的电压输出峰值参数的具体数值。其中：

    Vop+/Vop-表示正向/负向电压输出峰值参数（多电源工作的运放）。

    VOH/VOL表示高压/低压输出峰值参数（单电源工作的运放）。

    普通运放电压输出峰值不能达到电源电压，正负输出电压摆幅通常也不相同。电压输出峰值越接近电源电压越好。通过比较运放的电压输出峰值参数，可以发现不同运放类别之间的具体区别。

    例如：LM358(普通运放)和SGM358（轨到轨运放,电压输出峰值非常接近电源电压）功能和封装都相同，采用运放放大功能测试后发现：SGM358的电压输出峰值明显高于LM358，近似于电源电压。通过运放放大功能测试，可以有效判别被测SGM358的性能是否能够达到轨到轨运放的特性要求。

    又如：LM324,LM348,LF444是功能和封装都相同的四运放，实测中，它们的电压输出峰值参数具有不同特性：

    LM324四组Vop+偏低、Vop-偏高；

    LM348四组Vop+偏高、Vop-偏低；

    LF444四组Vop/Vop-几乎一样高。

    通过这些实测特性，可以有效地判别这些运放的性能差异。

 

5.运放在线功能测试/在线状态测试

    运放波形功能测试和运放放大功能测试都可以完成各自方式的在线功能测试和在线状态测试。

    其中：运放在线放大功能测试/在线放大状态测试具电路分析能力，对一些典型连接（例如：运放管脚自身连接、连接成电压跟随器、输入端接地或电源、固定输出等）可以准确识别，并自动修正测试信号。

    可以对运放在线连接自适应判别，是运放在线放大功能测试/在线放大状态测试的独特优势。详见论文《模拟器件功能测试通道与运放放大功能测试》一文。

    以在线测试双列直插式封装型号为LM324的四运放为例。见图5.从图5运放在线自身连接图可以看出：对LM324采用±12V测试电源(管脚4和管脚11)进行放大功能测试。其内部第1单元和第3单元的同相输入端(管脚3和管脚10)接地，第2单元的同相输入端(管脚5)接电源。连接方式比较多。

 

图5    对LM324四运放在线连接自适应判别

 

    无论运放离线功能测试，还是运放在线功能测试/在线状态测试，正达测试仪能够对各种封装类型的运放进行测试。包括：双列直插、双列贴片、金属圆壳，纵列单排针等类型。对应测试工具有：双列直插DIP测试夹，双列贴片SOP测试夹，金属圆壳插座，测试钩，离线测试板等。

 

6.运放测试安全性问题

    由于正达测试仪采用5组测试电源光控独立瞬态输出技术，可以同时施加5组不同测试电源。但是施加的测试电源种类越多，使用者因疏忽或者不太熟练，越容易发生操作错误。这就涉及到测试安全性问题。

 

6.1离线运放功能测试安全性

    离线测试时，需要使用离线测试板上拨码开关或插针跳线手动施加运放所需的各种测试电源。如果设置错误，可能会产生以下的错误连接：

    1.+12V对地短路

    2.-12V对地短路

    3.+5V对地短路

    4.-5V对地短路

    5.+3.3V对地短路

    6.各种正电源与地反接

    7.各种负电源与地反接

    8.各种正电源和负电源相互短路

    9.正电源管脚和负电源管脚都接向了正电源

    10.正电源管脚和负电源管脚都接向了负电源

...

 

6.2在线运放功能测试安全性

    在线测试时，如果从被测板的电源入口处（各种电源接线柱或插针）施加测试电源，一般不会产生以上错误。所以从电路板的入口处施加测试电源，既简单，也安全。但是如果在线随意连接各种测试电源，也可能会产生以上错误连接。

 

6.3测试保护功能和安全性提示

    正达测试仪主机具备双重的过流、过压电源自动保护机制，出现以上错误连接不会造成测试仪主机和离线测试板损坏，但是有可能损坏被测运放。

    针对上述问题，正达测试软件提供安全性提示。在施加测试电源之前，自动对以上可能存在的错误连接进行安全性识别。如果发现错误预先给出提示，并显示当前错误连接关系的具体信息。例如：软件提示“-12V,+5V短路”。从而保障了测试的安全性。

    实验表明：以上十多种错误连接都能被准确识别，预先给出安全性提示。对正达测试仪主机、离线测试板和被测运放等可以起到有效保护作用。

    但是电源施加还有一种错误连接形式，即：正电源与负电源相互反接。目前正达测试仪对此种错误连接的安全性识别尚有困难，在测试之前，无法预先给出提示。一旦发生这种操作错误，对正达测试仪主机和离线测试板不会产生任何影响，但有可能造成被测运放损坏。所以使用者必须严格避免发生这种操作错误。

 

6.4其它电源安全性保护措施

    使用者在自行扩充运放器件库时，也有相应的电源安全性保护措施和填表规范。见后文：7.1填表扩充运放范例。

 

7.填表方式扩充运放器件库

    正达测试仪器件库中包含有数千种运放，已比较全面。如果遇到器件库中没有的运放时，只要有其资料（管脚排列图、封装形式、管脚功能等），便可以通过填表方式，扩充该运放的测试程序。

    填表时，只需输入运放型号、选择封装类型、定义各个管脚状态（例如：正电源、负电源、地、同相输入、反相输入、输出、空脚、其它状态等）即可。添加完毕后，即可在线或离线对该运放进行运放波形功能测试和运放放大功能测试。

 

7.1填表扩充运放范例

    进入“填表扩充集成运放器件库”项。以扩充LM348运放为例。见图6左。

    填表时，每个管脚可供填写的选项如下：

    ①1IN+,2IN+,3IN+,4IN+：运放内部第1,2,3,4组同相输入端U+.

    例如：LM348的管脚3是内部第1组运放的同相输入端U+，所以选择1IN+.

    ②1IN-,2IN-,3IN-,4IN-：运放内部第1,2,3,4组反相输入端U_.

    例如：LM348的管脚6是内部第2组运放的反相输入端U_，所以选择2IN-.

    ③1OUT,2OUT,3OUT,4OUT：运放内部第1,2,3,4组输出端Uo.

    例如：LM348的管脚14是内部第4组运放的输出端Uo，所以选择4OUT.

    ④V+,V-,GND,+5V,-5V,+3.3V：定义电源管脚和接地管脚。

    其中：这里的V+和V-指的是支持最高电源电压。正电源管脚填写V+后，在实测中该管脚可以施加+12V,+5V,+3.3V其中的任意一种电压。负电源管脚填写V-后，在实测中该管脚可以施加-12V,-5V,GND其中的任意一种电压。

    例如：LM348可以在多种电源电压下工作，所以填写电源管脚时应选择最高电压值。即：管脚4（正电源管脚）选择V+.管脚11（负电源管脚）选择V-.

    出于安全性考虑，对于不支持±12V供电和单电源供电的运放，在填表扩充时，运放电源管脚不能选择V+和V-.从而对测试中可能出现的操作错误加以限制。

    又如：之前曾经提到过的轨到轨运放SGM358.不同于LM358支持+12V电源，SGM358只能在+5V电源下工作，绝对不能采用+12V供电，否则会烧器件。所以填表扩充SGM358时，管脚8（正电源管脚）选择+5V，不能选择V+.扩充完毕后，在实测SGM358的过程中，测试软件“供电管脚”提示中不会提示支持+12V，也无法采用+12V测试SGM358.

    ⑤NC：空脚。运放无该管脚就选择NC.例如：LM348是14管脚器件，管脚15~20都选择NC.

    ⑥OTHER：指除以上项目外的其它类型管脚，作为预留选项。

 

图6    用户可以按照填表方式扩充集成运放器件库

 

7.2将运放扩充到器件库

    填表完毕后，应按“存储”按钮保存。可以一次性将需要扩充的运放全部填写并存储下来，然后再统一添加。

    进入“扩充器件到测试库”操作。以扩充LM348运放为例，选中已经填表扩充完毕的LM348，按“继续”按钮，即可自动生成LM348的测试程序，并扩充到运放器件库中。见图6右。

 

8.结语

    运算放大器可以工作在线性区和非线性区，线性应用和非线性应用都是运放重要和典型的工作方式。针对运放功能特点，正达测试仪同时提供运放波形功能测试（线性应用）和运放放大功能测试（非线性应用），是对运放功能的全面性测试。