1200字搞懂运放电路中输入失调电压的分析，计算，以及选型对策

原创硬件那点事儿 2024-10-08 12:07

TI MCU方案：能源基础设施实时控制 【应用手册】TI 全新MCU及C29内核的能源设施应用方案

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Part 01

前言

前两篇文章我们讲述了运算放大器输入偏置电流，输入失调电流，输入失调电压作为运放输入特性参数中比较重要的特性参数之一，当然也是需要重点关注的，我们今天会讲一下运放失调电压。在理想运算放大器的情况下，当输入电压 (V i ) 为 0 V时，V IN(+)和 V IN(-)端子的直流电压完全匹配。然而，实际上存在以下差异V IN(+)和 V IN(-)端子之间的输入阻抗和输入偏置电流，导致它们的电压略有不同。这种称为输入失调电压的差值乘以增益，表现为与运放理想输出电压的偏差。

如果运算放大器的两个输入电压完全相同，则输出应为零伏，因为0V的差分应产生0V的输出。然而，实际上，输出端通常会有一些电压。这称为输出失调电压。输出失调电压有很多影响因素，比如输入失调电流，输入失调电压等，输入失调电压可以理解成运放内部的等效电压源VOS与运算放大器的输入串联。

特别是我们当用运放设计传感器电路时，由于传感器对于精度要求比较高，那么运算放大器的输入偏移电压会导致传感器检测灵敏度的误差。为了将传感器测试误差保持在规定的容差水平以下，硬件工程师在设计时必须选择具有低输入失调电压的运算放大器。

Part 02

输入失调电压产生的原因

运放输入级的晶体管（如差分对中的三极管）由于制造工艺的限制，可能存在参数（如电流增益、阈值电压等）的不匹配，这一不匹配因素就会导致输入失调电压的产生。另外，温度变化会影响输入级的电流和电压特性，从而引起失调电压的变化。

Part 03

输入失调电压的影响因素

影响运放输入失调电压有因素，一个是温度，另外一个是时间，运放规格书中会给出失调电压的温度系数，那么如何利用这个温度系数计算运放输入失调电压呢？比如下图给出了25℃下AMP02F运放的最大输入失调电压是200uV，对应的温度系数最大是4uV/℃，那么85℃时的最大输入失调电压=200uV+4uV/℃*（85℃-25℃）=440uV。

时间对运放失调电压的影响如何评估呢？比如下图运放规格书中给出的运放OP177G的失调电压漂移率为0.4μV/月。这意味着在运放使用一个月后，失调电压可能增加0.4微伏（注意此处是典型值）。接着，经过六个月，失调电压可能累计增加2.4 μV（0.4 μV/月 × 6个月）。

Part 04

输入失调电压的影响

参考下面的电路图，该电路为同相放大电路，电路增益为(R1+R2)/R1，输入失调电压可以看作是电压源，这样电路中就有两个电压源，遇到这种多电源电路最简单的处理方式就是叠加定理，把另外一个电压源短路处理，来考虑单独一个电压源对输出的影响，这样输入输入失调电压是Vio，那么由此产生的输出电压偏移就是Vio*(R1+R2)/R1=Vio*A，其中A是电路的增益，也就是说电路的增益越大，那么输入失调电压对输出的影响越大。

Part 03

如何弥补输入失调电压的影响呢

那么我们该如何弥补输入失调电压的影响呢？运放制造商通常会做出一些设计来调整封装，进而调整运算放大器的偏移。通常，运算放大器封装上的两个额外端子用于连接外部“微调”电位计。这些连接点被标记为offset null，在 741单运算放大器上，偏移零点连接点是 8 引脚，DIP 封装上的引脚 1 和 5。并以下图这种方式使用：