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

入门级示波器多少钱合适？ 精密双向电流传感放大器：精准测量，守护电流安全

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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：运算放大器的轨至轨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，输出大概和负正电源轨相差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，那我们就把运放的负电源轨改为-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！！！