1200字搞懂运放电路中输入失调电压的分析,计算,以及选型对策

2024-10-12

Part 01


前言

前两篇文章我们讲述了运算放大器输入偏置电流,输入失调电流,输入失调电压作为运放输入特性参数中比较重要的特性参数之一,当然也是需要重点关注的,我们今天会讲一下运放失调电压。在理想运算放大器的情况下,当输入电压 (V i ) 为 0 V时,V IN(+)和 V IN(-)端子的直流电压完全匹配。然而,实际上存在以下差异V IN(+)和 V IN(-)端子之间的输入阻抗和输入偏置电流,导致它们的电压略有不同。这种称为输入失调电压的差值乘以增益,表现为与运放理想输出电压的偏差。

如果运算放大器的两个输入电压完全相同,则输出应为零伏,因为0V的差分应产生0V的输出。然而,实际上,输出端通常会有一些电压。这称为输出失调电压 。输出失调电压有很多影响因素,比如输入失调电流,输入失调电压等,输入失调电压可以理解成运放内部的等效电压源VOS与运算放大器的输入串联。

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特别是我们当用运放设计传感器电路时,由于传感器对于精度要求比较高,那么运算放大器的输入偏移电压会导致传感器检测灵敏度的误差。为了将传感器测试误差保持在规定的容差水平以下,硬件工程师在设计时必须选择具有低输入失调电压的运算放大器。

Part 02

输入失调电压产生的原因

运放输入级的晶体管(如差分对中的三极管)由于制造工艺的限制,可能存在参数(如电流增益、阈值电压等)的不匹配,这一不匹配因素就会导致输入失调电压的产生。另外,温度变化会影响输入级的电流和电压特性,从而引起失调电压的变化。

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Part 03

输入失调电压的影响因素

影响运放输入失调电压有因素,一个是温度,另外一个是时间,运放规格书中会给出失调电压的温度系数,那么如何利用这个温度系数计算运放输入失调电压呢?比如下图给出了25℃下AMP02F运放的最大输入失调电压是200uV,对应的温度系数最大是4uV/℃,那么85℃时的最大输入失调电压=200uV+4uV/℃*(85℃-25℃)=440uV。

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时间对运放失调电压的影响如何评估呢?比如下图运放规格书中给出的运放OP177G的失调电压漂移率为0.4μV/月。这意味着在运放使用一个月后,失调电压可能增加0.4微伏(注意此处是典型值)。接着,经过六个月,失调电压可能累计增加2.4 μV(0.4 μV/月 × 6个月)。

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Part 04

输入失调电压的影响

参考下面的电路图,该电路为同相放大电路,电路增益为(R1+R2)/R1,输入失调电压可以看作是电压源,这样电路中就有两个电压源,遇到这种多电源电路最简单的处理方式就是叠加定理,把另外一个电压源短路处理,来考虑单独一个电压源对输出的影响,这样输入输入失调电压是Vio,那么由此产生的输出电压偏移就是Vio*(R1+R2)/R1=Vio*A,其中A是电路的增益,也就是说电路的增益越大,那么输入失调电压对输出的影响越大。

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Part 03

如何弥补输入失调电压的影响呢

那么我们该如何弥补输入失调电压的影响呢?运放制造商通常会做出一些设计来调整封装,进而调整运算放大器的偏移。通常,运算放大器封装上的两个额外端子用于连接外部“微调”电位计。这些连接点被标记为offset null,在 741单运算放大器上,偏移零点连接点是 8 引脚,DIP 封装上的引脚 1 和 5。并以下图这种方式使用:

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