用运放搭建的反相放大电路输入为0V,输出居然达到了2.2V,原因你能想到吗?

原创 硬件那点事儿 2024-10-16 08:25

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Part 01

前言

上一篇文章我们分享了运算放大器的“时髦”参数:轨至轨,相信大家已经了解了轨至轨运放和普通运放的区别,上一篇文章中我们提到一句话:运算放大器的轨至特性对于单电源供电的运放来说比较重要。为了让大家深入理解这句话的深刻含义,今天就介绍一个实际案例,让你深刻明白轨至轨特性在一些应用场景下的作用。

反相放大电路相信大家都很熟悉了,当反相输入端电压为0V时,我们期望的输出电压也应该是0V,但是下面这个电路反相输入端电压为0V时输出电压居然有2.2V之高,原因何在呢?

Part 02

电路分析

先简单介绍一下反相放大电路的分析方法:运算放大器具有非常高的开环增益,因此在负反馈作用下,会形成“虚短”和“虚断”特性:

虚短:同相输入端和反相输入端电位相同。因为同相输入端接地,所以反相输入端也是0V,称为“虚地”。

虚断:理想运放的输入电流为零,即从同相输入端和反相输入端流入的电流非常小,可以近似为零。

基于以上特性,我们可以通过以下步骤分析电路的工作:

输入电流Iin:由于反相输入端为虚地(0V),输入信号电流Iin可以表示为:

输出电流If:由于虚断特性,几乎没有电流流入运放,因此所有的Iin都流经反馈电阻Rf。根据欧姆定律,输出电压Vout为:

所以问题电路图中的运放搭建的反相放大电路的放大倍数就是-1:


Part 03

问题分析

一般我们看到放大电路输出电压有问题,我们最先想到的这是不是运放输入失调电压导致的呢?查阅了运放的规格书,发现运放自身最大输入失调电压也才660uV,即便考虑电源电压,偏置电流导致的输入失调电压,总共的输入失调电压也基本在1mV左右,乘以电路的放大倍数也得不到2.2V的输出啊,那原因就不是出在这了。

看到这,肯定有人会说模型有问题?芯片有问题?别慌,还有一个重要的因素我们没考虑,那就:轨至轨,这个运放不是轨至轨运放,只是一个普通运放,何以见得呢?还是去看规格书中的VoH/VoL参数:当电源电压±15V供电时,运放的输出电压典型值为+12.3V/-12.7V,和正电源轨差了2.7V,和负电源轨差了2.3V,我们搭建的反相放大电路的采用的是单电源供电,这意味着负电源轨是0V,所以当输入是0V时,输出一定会比0V高,参考规格书中给出的双电源供电时,输出大概和正电源轨相差2.3V,那单电源供电时,输出大概为0V+2.3V=2.3V,这和仿真结果基本吻合。

有人会说,上面会不会只是你的猜测?如何证明呢?其实很简单,既然我们怀疑是运放的至轨电压引起的这个问题,那我们就把运放的电源轨改为-3V,这样输入0V时,理论上输出就不应该存在至轨电压的问题了,仿真试一下:

仿真波形如下,我们会发现此时输出只有218uV了,这218uV就是运放是输入失调电压导致的了,所以通过上面的分析你会发现运放的“轨至轨”特性在单电源供电的电路中影响很大吧,特别是多级运放,下一级运放把上一级运放的2.2V一放大,那输出会更离谱,所以运放能否轨至轨很重要,选型时一定要考虑,重视此参数!!!


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