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運算放大器的失調電壓介紹

冬至子 ? 來源:模擬應用工程師小明 ? 作者:模擬應用工程師 ? 2023-04-26 16:31 ? 次閱讀

運放的失調電壓是指,在理想條件下運放兩個輸入端的電壓應該相等,但實際上會存在一定的差異。這個差異產生的原因是運放內部元器件的不對稱性、制造工藝等因素。

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失調電壓通常用偏置電壓或輸入失調電壓這兩個參數來表示。偏置電壓是指運放在兩個輸入端都接地時,輸出端的電壓偏離零電平的電壓值,而輸入失調電壓是指將同樣的信號分別接到運放的兩個輸入端時,輸出端出現的偏移電壓。

失調電壓的存在會對運放的增益、帶寬、線性度等性能產生影響,因此在使用運放時需要考慮并減小失調電壓對電路性能的影響。

如下圖所示,是一個常見的100倍增益放大的同相比例放大電路(non-inverting gain,也稱之為noise gain),這顆器件的Vos=0.1mV,這樣我們實際預期的輸出電壓是Vin的100倍放大100mV,但因為輸入失調電壓的存在,實際輸出電壓為110mV,整整帶來了10%的誤差。

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對于實際的工程應用,如果被測量信號包含直流量且這個直流量是需要被計算在內,就需要選擇失調電壓遠遠小于被測量直流量的器件,或者可以通過調零的方式來消除該影響。如果對于被測量信號,僅僅關注交流量,則可以在輸入端增加交流耦合電路來消除直流分量。此外,也可以通過系統調零的方式去消除失調電壓帶來的影響。

關于失調電壓還有一個非常重要的指標,offset drift(溫漂),如下圖所示,這是一個比較通用的關于溫漂的定義,以下公式可以看出,是考慮了整個溫度范圍內,-40℃和85℃對于25℃的offset voltage的漂移,同時注意到該公式都是絕對值計算,所以溫漂都是正數。

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上面我們提到失調電壓本身是可以通過直流量消除或者調零的方式去解決,但對于offset drift,對于實際的工程應用需要通過系統在寬溫度范圍內因溫漂帶來的影響。下面是一個對于100倍放大電路的drift帶來的影響的計算。

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可以看到,對于25℃下offset voltage=100uV,對于125℃下offset voltage=250uV,下表給出對于不同溫度下因為溫漂所帶來的不同的offset voltage,請記住對于offset drift本身是可以正也可以負,所以兩種情況都在下表體現。對于校準過的一個系統,溫漂是非常重要的,在已校準系統,在室溫下的失調電壓通過軟件的方式去校準,但溫漂則是一個難題,往往這個時候低溫漂的器件會是一個比較好的選擇。

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