今天繼續(xù)給大家分享運(yùn)放另一項(xiàng)指標(biāo)——輸入失調(diào)電壓(Vos)。

（1）失調(diào)電壓Vos定義

（2）各類(lèi)運(yùn)放失調(diào)電壓范圍

（3）失調(diào)電壓產(chǎn)生原因

（3）運(yùn)放失調(diào)電壓修正方法

（4）失調(diào)電壓補(bǔ)償方法

在理想運(yùn)放中Vos同樣是不存在的，但實(shí)際應(yīng)用中我們心里需要清楚真實(shí)運(yùn)放與理想模型都存在哪些差異，這樣才能設(shè)計(jì)出更優(yōu)秀的電路。

如下圖1所示當(dāng)運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)時(shí)，若Vp=Vn時(shí)Vo應(yīng)該等于0，這便是理想運(yùn)放給我們結(jié)論，但是實(shí)際運(yùn)放往往并非如此，Vos定義如下：如圖2所示我們需要在反向端加入一個(gè)偏置電壓源強(qiáng)制使Vo=0，當(dāng)Vo=0時(shí)Vos的電壓即為運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓，注意Vos可正可負(fù)。

圖1 實(shí)際運(yùn)放

圖2 Vos定義

根據(jù)運(yùn)放的類(lèi)型Vos的范圍跨越也比較大。自動(dòng)歸零運(yùn)放的Vos通常小于1uV，通用運(yùn)放Vos在50uV ~ 500uV，而高速運(yùn)放和普通CMOS運(yùn)放Vos分布范圍達(dá)100uV ~ 50mV。具體見(jiàn)下表1所示。

表1 運(yùn)放Vos對(duì)比

至此我們對(duì)Vos有了初步了解，那Vos存在的原因是什么呢?

原因主要?dú)w咎于運(yùn)放的輸入級(jí)電路。讀過(guò)我那篇關(guān)于偏置電流文章的朋友都清楚運(yùn)放的輸入級(jí)采用差分結(jié)構(gòu)，理想狀態(tài)下當(dāng)Vp=Vn時(shí)運(yùn)放輸出應(yīng)該為0，但是在運(yùn)放生產(chǎn)過(guò)程中不可能制作出性能參數(shù)絕對(duì)一致的差分對(duì)管，同時(shí)其它內(nèi)部晶體管也存在生產(chǎn)誤差，這些不可避免的因素造成理想的差分電路是不存在的，以上實(shí)際問(wèn)題最終體現(xiàn)為Vp=Vn時(shí)Vo≠0，因此帶來(lái)Vos這一參數(shù)。

那為什么BJT運(yùn)放的Vos較普通CMOS運(yùn)放的Vos小那么多？這是因?yàn)橄鄬?duì)于CMOS的柵極一致性而言BJT的基極一致性要好很多，而一致性越好則Vos越小。

在精度要求較高的電路中，Vos引起的誤差不容小視，針對(duì)這一問(wèn)題解決方案可分為從運(yùn)放內(nèi)部校正Vos和從運(yùn)放外部補(bǔ)償Vos。首先介紹從運(yùn)放內(nèi)部改善Vos性能。

在運(yùn)放生產(chǎn)過(guò)程中為了盡可能降低運(yùn)放內(nèi)部器件誤差造成的失調(diào)電壓，圖3為TI公司采用激光對(duì)運(yùn)放晶圓上的電阻進(jìn)行微調(diào)從而達(dá)到Vos=0的目的，這一方法常常應(yīng)用在BJT型運(yùn)放的生產(chǎn)中。圖4為另一種方法稱為“e-Trim”，該方法是當(dāng)運(yùn)放處于封裝階段時(shí)對(duì)運(yùn)放進(jìn)行Vos校正，校正完成后內(nèi)部的調(diào)整通路將被關(guān)閉以確保校正結(jié)果的可靠性。此外ADI針對(duì)CMOS運(yùn)放也有相應(yīng)的校正方法稱為“DigiTrim”，當(dāng)運(yùn)放完成封裝后通過(guò)數(shù)字控制方式對(duì)運(yùn)放進(jìn)行Vos校正，校正后的Vos不超過(guò)1mV。

圖3 晶圓級(jí)校正Vos

圖4 e-Trim校正

根據(jù)Vos定義，從運(yùn)放外部補(bǔ)償Vos非常容易理解。既然運(yùn)放需要Vos那我們就給它提供這個(gè)Vos從而保證當(dāng)Vp=Vn時(shí)Vo=0。

通常有些單集成運(yùn)放自帶Vos校正管腳，如AD817。我們可以通過(guò)在pin1和pin8之間接一個(gè)10k電位器，電位器滑頭接至-Vs，通過(guò)這種方式可以獲得±15mV的Vos補(bǔ)償范圍。

圖5 AD817補(bǔ)償Vos

對(duì)于那些沒(méi)有Vos補(bǔ)償管腳的運(yùn)放我們需要構(gòu)建相應(yīng)的Vos補(bǔ)償電路。當(dāng)運(yùn)放輸入信號(hào)從同相端輸入時(shí)，可以采用圖6所示補(bǔ)償電路。紫色區(qū)域?yàn)橐氲难a(bǔ)償電路。其中Ra為電位器，該電路的噪聲增益為

為避免補(bǔ)償電路引入不必要的噪聲需要R3遠(yuǎn)大于R1以保證NG幾乎不變。而Vo表達(dá)式為

圖6 同向端輸入時(shí)Vos補(bǔ)償

當(dāng)運(yùn)放輸入信號(hào)從反相端輸入時(shí)存在兩種Vos補(bǔ)償電路。第一種如圖7所示。此種方法將Vos補(bǔ)償電壓接入到運(yùn)放反向端進(jìn)行補(bǔ)償，此時(shí)電路的噪聲增益為

而信號(hào)增益為

該種電路的缺點(diǎn)為噪聲增益NG較未補(bǔ)償電路增大，這是因?yàn)檠a(bǔ)償電路與R1并聯(lián)導(dǎo)致。為盡可能保持NG不變需要使R3遠(yuǎn)大于R1||R2。

圖7 反向端輸入時(shí)Vos補(bǔ)償方法1

為避免補(bǔ)償電路對(duì)噪聲增益的影響可采用圖8所示電路，此電路可保證噪聲增益NG與未引入補(bǔ)償電路的NG相同，為

而信號(hào)增益為

若選取的運(yùn)放同向端與反向端偏置電流一致性很好(Ib+≈Ib-)，則Rp= R1||R2，若運(yùn)放偏置電流一致性較差(Ib+≠I(mǎi)b-)則Rp取值往往小于50Ω，若Rp不得不選取較大值時(shí)可以并聯(lián)一顆小電容以濾除高頻噪聲。

圖8 反向端輸入時(shí)Vos補(bǔ)償方法2

OK，關(guān)于運(yùn)放失調(diào)電壓的幾點(diǎn)問(wèn)題今天就和大家分享到這里，喜歡筆者的讀者請(qǐng)點(diǎn)擊下方公眾號(hào)名片關(guān)注筆者，您的關(guān)注與支持將轉(zhuǎn)換為筆者前進(jìn)的動(dòng)力，小生將在后續(xù)的推送中不斷送出更多優(yōu)質(zhì)內(nèi)容，關(guān)注后還可加入技術(shù)交流群與各路大神共同探討進(jìn)步。

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