運放電路解析及設(shè)計

運放電路很奇妙，一個運放配上一個電容，一個電阻，一個積分器就完成了。

很興奮，對不對?用Tina小軟件仿一仿，調(diào)個理想運放模型，加上電阻，加上電容，點擊運行，工作良好。

把理想運放，換成實際的運放模型。

哦噢，積分電路歇菜了，輸出電壓直接就到供電電壓附近了。

這是為什么呢?

本質(zhì)就是現(xiàn)實總是與理想有差距啊!!!

理想是，運放是完美的，運放的兩個輸入是完美對稱的，但現(xiàn)實是，兩個總是有點偏差。

這些差別，會導(dǎo)致運放具有直流偏移(DC offsets)。

如果運放是Bipolar運放，也就是說內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是由雙極管構(gòu)成的，那其還會有Input Bias Current.

下面，就詳細說說這兩個指標(biāo)。

DC offsets

理想情況下，Vout=A0(Vin1-Vin2)，即當(dāng)Vin1-Vin2=0時，Vout=0;

但實際情況下，該直線會向上或向下偏移，即當(dāng)Vin1-Vin2=0是，Vout不為0.

也就是說，在實際情況下，為了使得Vout=0, Vin1-Vin2必須等于某一值Vos，稱該值為失調(diào)電壓(offset voltage)。

那直流偏移是怎么產(chǎn)生的呢?

這主要還是和制作過程相關(guān)。理想運放的同相輸入和反相輸入是完美對稱的。但實際情況下，并非如此。

即使本意上想制造出兩種一模一樣的電路，實際制造出來也會有細微差別。所以實際的運放，兩個輸入電路不會完美對稱，存在一定的失配。真是這一失配，造成了直流偏移。

那在運算過程中，怎么來給直流偏移建模呢?

offset voltage是隨機的，不僅值是隨機的，符號也是隨機的。

手冊上給出的offset voltage指標(biāo)是典型值，也就是說，當(dāng)測試很多很多運放樣本時，大多數(shù)運放的offset voltage位于-Vos和Vos之間。

因為Vos是隨機的，所以我們可以把代表Vos值的電壓源放置在同相輸入端，也可以放置在反相輸入端。

直流偏移對實際電路的影響

同相放大器

從上圖中，可以看出，同相放大器會把輸入信號和Vos同步放大。如果電路中的DC也包含有用信號，比如說需要測量直流電壓的值，這個Vos指標(biāo)，就會影響最終的測試結(jié)果。

反相放大器

同樣，反相放大器也會對Vos進行放大，進而影響直流的測試結(jié)果。

積分放大器

這邊先假設(shè)Vin=0，單獨考慮一下Vos對積分放大器的影響。

可以看到，當(dāng)t=0時，即剛開始的時候，Vout=Vos，這是因為剛開始時，電容沒有電荷，所以電容兩端就沒有電壓差，因此Vout=Vos。

隨著時間的增加，Vout也線性增加，直到到達運放能輸出的最大電壓為止。

所以，如果不對理想積分器做處理的話，一個offset voltage就會把積分放大器搞的不能正常工作。也就是說，積分器會對Vos進行積分，最終達到飽和狀態(tài)，無法對正常輸入信號進行積分。

那怎么辦呢?

其實在C1端并聯(lián)一個電阻就可以了。那這個電阻起什么作用呢?

在理想積分放大器中，通過R1的電流無處可去，所以只能對C1充電，導(dǎo)致Vout越來越大。但是在C1兩端并聯(lián)一個電阻后，電流就可以從該電阻上通過，這樣C1就不會被持續(xù)充電 ，導(dǎo)致Vout不斷增大。

雖然，上述的并聯(lián)電阻能夠阻止積分放大器由于Vos而進入飽和狀態(tài)，但是也導(dǎo)致該積分器對輸入信號頻率有限制，太低了就只反相放大，沒有積分的作用了。

雖然頻率范圍變窄了，但是總好于啥都不能積分。

Input Bias Currents

在雙極管構(gòu)成的運放中，輸入偏置電流會比較大;但在MOS管構(gòu)成的運放中，則極小，基本可以不考慮。

因為雙極管有也需要有一定大小的基極電流，所以如果使用的是雙極管運放的話，需要給其輸入端提供一定的基極電流，要不然運放就沒法正常工作。

那怎么對這些輸入偏置電流建模呢?

用兩個電流源來模擬輸入偏置電流。

輸入偏置電流對實際電路的影響

同相放大器

由上圖可知，由于輸入偏置電流的影響，Vout會產(chǎn)生一個直流偏移，即IB2*R2.

如果在同相輸入端，串聯(lián)一個R1和R2的并聯(lián)電路，并假設(shè)IB1=IB2，會發(fā)現(xiàn)直流偏移變?yōu)?了。

積分放大器

所以積分放大器，如果不做任何處理的話，DC offset和Input Bias currents都會使運放進入飽和狀態(tài)。

審核編輯：湯梓紅