读好书《运算放大器参数解析与LTspice应用仿真》读书笔记1——输出失调电压因素

hitwpc · 发表于2023-10-17 15:40

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阅读完本书的2.3之后，写一个小总结，运放的总输出失调电压主要是由输入失调电压和输入偏置电流引起的。

1 输入失调电压与漂移

1.1 定义

短路放大器的两个输入端，如果是理想放大器，则输出电压Vo=0V。但是真实运放处理Vp和Vn的输入级存在失配，导致输出电压不为0V。为了实现输出最终为0V，则需要在输入关键之间增加合适的矫正电压，成为输入失调电压Vos。Vos的取值范围在mV-μV之间。

1.2 案例分析

某汽车电子公司，使用以下电路，出现了部分失效的现象。

该电路采用了差动放大电路，5V单电源供电，TP100由参考电压源提供。工作时，如果TP1001，TP1006接地，输出端TP1011电压超过38.7mV，则判定异常。

根据差动放大电路，放大倍数为R1001 12kΩ和R1000 220Ω的比值，增益为54.4倍

根据手根据手册的参数，输入失调电压的典型值0.6mV，则输出失调电压典型值时32.7mV。最大值3.4mV,输出失调电压最大值已经到了185.5mV。超过了设定的38.7mV，因此会出现不良品的概率。

1.3 处理方式

首款精密运放OP07，使用了电位计去连接具有失调电压校准功能的1、8号引脚。但是由于电位器布线引入的噪声等因素，导致矫正难度较大。

目前使用的方法是直接外部处理。使用数字电位器或者模数转换器（DAC）实现补偿电压可编程。

1.3.1反相放大电路补偿方法

（a）反相端提供失调电压调节电路

（加法电路，补充失调电压）当Rb远大于R1时，输出失调电压的调整范围是

$-\frac{R_2}{R_b}V_{R-}\ge V_{os}\ge-\frac{R_2}{R_b} V_{R+}$

（b）同相端提供失调电压调节电路

$\frac{R_{a2}}{R_{a2}+R_b}\frac{R_1+R_2}{R_1}V_{R-}\ge V_{os}\ge\frac{R_{a2}}{R_{a2}+R_b}\frac{R_1+R_2}{R_1}V_{R+}$

1.3.2同相放大电路补偿方法

R2a远大于R2b

$-\frac{R_{2b}}{R_{2b}+R_b}\frac{R_1}{R_2}V_{R-}\ge V_{os}\ge-\frac{R_{2b}}{R_{2b}+R_b}\frac{R_1}{R_2}V_{R+}$

2 偏置电流和失调电流

2.1 定义

真实放大器的输入管脚会吸收少量的电流，同相输入端的电流Ib-，反相输入端的电流Ib+。

输入偏置电流Ib

输入失调电流Ios

2.2 理论推导

以反相输入电路为例，讨论偏置电流的影响，输入端电压源短路（叠加定理）

带入得

2.3 典型案例：偏置电流的直流泄放回路

按说有C2电容隔离，不会有直流噪声的影响。在增益较高时，即使是放大器输入端的一个较小直流电压，也会影响运放的动态范围，甚至可能导致输出饱和。输入偏置电流流经耦合电容，给其充电，直到超过放大器输入电路的额定共模电压或超过输出限值。根据输入偏置电流的极性，电容充电或者向正电源电压方向，或者向负电源电压方向。这个偏置电压会被放大器的闭环直流增益放大。

正确用法

错误用法

2.4 偏置电流处理方法

2.4.1保证偏置电流的直流回路完整

双电源、仪器放大电路的设计

2.4.2放大器输入端电阻匹配

$V_O=-(1+\frac{R_2}{R_1})[(\frac{R_1R_2}{R_1+R_2})+R_p]\frac{I_{os}}{2}$

如果Rp=R1//R2，则可以抵消I_b的影响。但要注意的是，该电阻始终会给电路带来一定噪声，因而需在电路输入阻抗、所需输入耦合电容大小与电阻引进的约翰逊噪声之间进行权衡。典型电阻值一般在100,000 Ω至1 MΩ之间。（这里作者没有解释，查找资料主要是约翰逊噪声的影响）

选型

选择偏置电流更小的放大器，或者控制输入端的电阻，减小Ib。

3 运算放大器的总失调电压

可以看到放大器的总输出失调电压是由放大器的失调电压和偏置电流导致，总输出失调电压

$V_{OS-RTO}=G_n[V_{OS}+I_{b+}R_{p+}-I_{b-}(\frac{R_1R_2}{R_1 + R_2})]$

wang12011201 · 发表于2023-10-17 17:17

某汽车电子公司，使用以下电路，出现了部分失效的现象。

该电路采用了差动放大电路，5V单电源供电，TP100由参考电压源提供。工作时，如果TP1001，TP1006接地，输出端TP1011电压超过38.7mV，则判定异常。

wang12011201 · 发表于2023-10-17 18:49

某汽车电子公司，使用以下电路，出现了部分失效的现象。

该电路采用了差动放大电路，5V单电源供电，TP100由参考电压源提供。工作时，如果TP1001，TP1006接地，输出端TP1011电压超过38.7mV，则判定异常

抱歉，发错了

lkh747566933 · 发表于2023-10-22 17:55

运算放大器参数解析与LTspice应用仿真》这本书很不错的，有相关需求的强推

zdzd23 · 发表于2023-10-22 22:42

这是一本书吗？LTSPICE 好用不？入门容易不？

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