運(yùn)放塊輸出失調(diào)電壓消除，只需一個(gè)電阻

時(shí)間：2021-02-23 09:59:26

關(guān)鍵字： Uos 電阻運(yùn)放塊

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[導(dǎo)讀]輸出失調(diào)電壓和靜態(tài)基極電流是運(yùn)放塊參數(shù)中的“壞孩子”，造成輸出信號中軸偏離0軸的豎向失真，甚至飽和，制約弱信號放大電路的增益，現(xiàn)有的解決方案已經(jīng)不少，但本仿真僅有一個(gè)電阻，讓其缺點(diǎn)相克，就變成“好孩子”。

輸出失調(diào)電壓和靜態(tài)基極電流是運(yùn)放塊參數(shù)中的“壞孩子”，造成輸出信號中軸偏離0軸的豎向失真，甚至飽和，制約弱信號放大電路的增益，現(xiàn)有的解決方案已經(jīng)不少，但本仿真僅有一個(gè)電阻，讓其缺點(diǎn)相克，就變成“好孩子”。

運(yùn)放塊開環(huán)增益參數(shù)最大幾十萬的數(shù)量級，避免產(chǎn)生額外的誤差；同時(shí)壓擺率、增益帶寬積參數(shù)與輸入頻率必須匹配，避免電路實(shí)際與計(jì)算參數(shù)不一致以及工作不穩(wěn)定。默認(rèn)單位：電壓=V，電路=A，電阻=Ω。

幾個(gè)概念存查，可略過：

運(yùn)放塊的開環(huán)增益A∝(Open-Loop Gain)

運(yùn)放塊在沒有外接負(fù)反饋時(shí)的放大倍數(shù)。

輸入失調(diào)電壓Vos(Input Offset Voltage)

當(dāng)輸入端為0時(shí)，輸出端Uo≠0，此存在電壓稱為輸出失調(diào)電壓(Output Offset Voltage，本帖簡稱Uos)，這是運(yùn)放塊內(nèi)部因素造成的；Vos參數(shù)表示和量化這些因素，并非輸入端真的存在此物理量。

輸入偏置電流Ibs(Input Bias Current) 和輸入失調(diào)電流Ios(Input Offset Current)也是推算出來的參數(shù)，不是真實(shí)存在的物理量。

當(dāng)輸入端為0時(shí)，運(yùn)放塊輸入級差分管對自身存在的靜態(tài)基極電流Ib1和Ib2之平均值稱為輸入偏置電流，即Ibs=(Ib1+Ib2)/2；它們之差稱為輸入失調(diào)電流，即Ios=|Ib1-Ib2|。

運(yùn)放塊跟隨器Uos的消除

以下對各參數(shù)單獨(dú)測試，避免它們交叉影響。

1-1

Uos和Vos的關(guān)系

測試HA-2540運(yùn)放塊跟隨器

如下左電路(雙電源+-15v省缺，下同)，運(yùn)放塊+輸入端接地，電壓為0，測得輸出端Ua=Uos=0.008 (綠線)，按照放大電路輸入信號幅度放大G倍等于輸出信號幅度，即，Vos=Uos/G=0.008，查HA-2540參數(shù)Vos就是0.008，與測試一致。此法可以測量運(yùn)放塊未知的Vos參數(shù)。

如右電路+輸入端接電源-0.008=-Vos，對應(yīng)輸出-0.008*G=-0.008與Uos相抵消，則輸出端Ub=0 (藍(lán)線)。

結(jié)論

Uos=Vos*G――――――(1-1)

在+輸入端加一個(gè)-Vos電壓，對應(yīng)輸出- Vos*G=-Uos，就抵消Uos，輸出為0。

1-2

Uos和Ibs、Ios的關(guān)系

運(yùn)放塊輸入級差分管自身具有的靜態(tài)基極電流Ib1和Ib2，在外加接地電阻Ro產(chǎn)生的壓降就給輸入端加一電壓，如果電阻值合適，對應(yīng)輸出的電壓就抵消Uos。

如下電路，運(yùn)放塊參數(shù)Vos=0.001，Ibs=0，Ios=1e-6，U+接地時(shí)，Uo輸出0.001v的Uos，如圖左側(cè)綠線；當(dāng)Ro=2K時(shí)，Ios的壓降U+=-0.001 (紅線)，等于+輸入端加一個(gè)-Vos電壓，對應(yīng)輸出-Vos*G=-0.001抵消Uos，則Uo=0(右側(cè)藍(lán)線)。

上述運(yùn)放塊參數(shù)改為Ibs=1e-6而Ios=0，當(dāng)Ro=1K時(shí)，Ibs壓降U+=-0.001，也等于+輸入端加一個(gè)-Vos電壓，則Uo=0。

1-3

如何計(jì)算Ro電阻值

從1-2測試可知，同樣標(biāo)稱電流的Ios和Ibs在同一電阻的壓降不同，那是由于它們分別表示的靜態(tài)基極電流不同，在+端的壓降實(shí)際上是靜態(tài)基極電流產(chǎn)生的。假設(shè)壓降是-Ib1*Ro，參數(shù)Ios是Ib1和Ib2之和的絕對值，標(biāo)稱值的一半才是Ib1電流值，所以-Ib1*Ro=-0.5Ios*Ro；而Ibs參數(shù)是Ib1和Ib2的平均值，故-Ib1*Ro=-Ibs*Ro。由于說明書沒有提供Ib1和Ib2數(shù)據(jù)，分析計(jì)算時(shí)就直接采用相關(guān)的Ios和Ibs參數(shù)，不必去推算出Ib1和Ib2。

Ios和Ibs在+端壓降之和為-0.5Ro*Ios+(-Ro*Ibs)，如果等于-Vos，即-Ro(0.5Ios+Ibs)=-Vos，對應(yīng)輸出-Ro(0.5Ios+Ibs)G就可以消除Uos。整理移項(xiàng)得計(jì)算Ro關(guān)系式：

Ro=Vos/(0.5Ios+Ibs)――――――(1-3)

從關(guān)系式可知，分子項(xiàng)與分母項(xiàng)的數(shù)量級相差太大或太小，Ro準(zhǔn)確取值難度就大，影響Uos消除精度。

以HA-2540運(yùn)放塊為例仿真驗(yàn)證，

HA-2540參數(shù)：Vos=0.008v，Ibs=5e-6A，Ios=1e-6A，代入1-3關(guān)系式，

Ro=Vos/(0.5Ios+Ibs)=(8e-3)/[ 0.5(1e-6) + (5e-6)]=1.4545K，搭建跟隨器，

如果8uv的弱調(diào)幅波Ui(紅線)直接輸入，Uos沒有消除，8mv直流分量的復(fù)合信號Ua (綠線)，無法辨認(rèn)調(diào)幅波分量。

而調(diào)幅波經(jīng)Ro輸入(效果與接地一樣)，消除了Uos，輸出1:1的波形Ub(藍(lán)線)與Ui的中軸重疊(波形圖故意錯(cuò)開，才能看清)。

1-4

若運(yùn)放塊參數(shù)值...

如果運(yùn)放塊參數(shù)Ios=Ibs=0，在Ro無壓降。1-3式中分母=0無意義，公式不適用。實(shí)際上運(yùn)放塊總是有靜態(tài)基極電流。

用兩個(gè)參數(shù)一樣的運(yùn)放塊接成圖a的電路，可以適用于任何參數(shù)的運(yùn)放塊跟隨器消除輸出失調(diào)電壓。雖然多用一個(gè)運(yùn)放塊，但是不用計(jì)算。