Part 01
前言
前兩篇文章我們講述了運算放大器輸入偏置電流,輸入失調(diào)電流,輸入失調(diào)電壓作為運放輸入特性參數(shù)中比較重要的特性參數(shù)之一,當然也是需要重點關(guān)注的,我們今天會講一下運放失調(diào)電壓。在理想運算放大器的情況下,當輸入電壓 (V i ) 為 0 V時,V IN(+)和 V IN(-)端子的直流電壓完全匹配。然而,實際上存在以下差異V IN(+)和 V IN(-)端子之間的輸入阻抗和輸入偏置電流,導致它們的電壓略有不同。這種稱為輸入失調(diào)電壓的差值乘以增益,表現(xiàn)為與運放理想輸出電壓的偏差。
如果運算放大器的兩個輸入電壓完全相同,則輸出應為零伏,因為0V的差分應產(chǎn)生0V的輸出。然而,實際上,輸出端通常會有一些電壓。這稱為輸出失調(diào)電壓 。輸出失調(diào)電壓有很多影響因素,比如輸入失調(diào)電流,輸入失調(diào)電壓等,輸入失調(diào)電壓可以理解成運放內(nèi)部的等效電壓源VOS與運算放大器的輸入串聯(lián)。
特別是我們當用運放設計傳感器電路時,由于傳感器對于精度要求比較高,那么運算放大器的輸入偏移電壓會導致傳感器檢測靈敏度的誤差。為了將傳感器測試誤差保持在規(guī)定的容差水平以下,硬件工程師在設計時必須選擇具有低輸入失調(diào)電壓的運算放大器。
Part 02
輸入失調(diào)電壓產(chǎn)生的原因
運放輸入級的晶體管(如差分對中的三極管)由于制造工藝的限制,可能存在參數(shù)(如電流增益、閾值電壓等)的不匹配,這一不匹配因素就會導致輸入失調(diào)電壓的產(chǎn)生。另外,溫度變化會影響輸入級的電流和電壓特性,從而引起失調(diào)電壓的變化。
Part 03
輸入失調(diào)電壓的影響因素
影響運放輸入失調(diào)電壓有因素,一個是溫度,另外一個是時間,運放規(guī)格書中會給出失調(diào)電壓的溫度系數(shù),那么如何利用這個溫度系數(shù)計算運放輸入失調(diào)電壓呢?比如下圖給出了25℃下AMP02F運放的最大輸入失調(diào)電壓是200uV,對應的溫度系數(shù)最大是4uV/℃,那么85℃時的最大輸入失調(diào)電壓=200uV+4uV/℃*(85℃-25℃)=440uV。
時間對運放失調(diào)電壓的影響如何評估呢?比如下圖運放規(guī)格書中給出的運放OP177G的失調(diào)電壓漂移率為0.4μV/月。這意味著在運放使用一個月后,失調(diào)電壓可能增加0.4微伏(注意此處是典型值)。接著,經(jīng)過六個月,失調(diào)電壓可能累計增加2.4 μV(0.4 μV/月 × 6個月)。
Part 04
輸入失調(diào)電壓的影響
參考下面的電路圖,該電路為同相放大電路,電路增益為(R1+R2)/R1,輸入失調(diào)電壓可以看作是電壓源,這樣電路中就有兩個電壓源,遇到這種多電源電路最簡單的處理方式就是疊加定理,把另外一個電壓源短路處理,來考慮單獨一個電壓源對輸出的影響,這樣輸入輸入失調(diào)電壓是Vio,那么由此產(chǎn)生的輸出電壓偏移就是Vio*(R1+R2)/R1=Vio*A,其中A是電路的增益,也就是說電路的增益越大,那么輸入失調(diào)電壓對輸出的影響越大。
Part 03
如何彌補輸入失調(diào)電壓的影響呢
那么我們該如何彌補輸入失調(diào)電壓的影響呢?運放制造商通常會做出一些設計來調(diào)整封裝,進而調(diào)整運算放大器的偏移。通常,運算放大器封裝上的兩個額外端子用于連接外部“微調(diào)”電位計。這些連接點被標記為offset null,在 741單運算放大器上,偏移零點連接點是 8 引腳,DIP 封裝上的引腳 1 和 5。并以下圖這種方式使用:
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