運(yùn)放3-失調(diào)電壓Vos的理解和仿真

運(yùn)放IC資料涉及的參數(shù)很多，其中有一項(xiàng)是失調(diào)電壓Vos,下面我們來思考幾個(gè)問題：

1）什么是失調(diào)電壓，這個(gè)電壓是怎么產(chǎn)生的？

2）失調(diào)電壓一般是uV,mV級(jí)別的，這么小的電壓，在電路設(shè)計(jì)中是否需要考慮進(jìn)去，怎么來考慮？

先說第一點(diǎn)，什么是失調(diào)電壓，失調(diào)電壓是怎么產(chǎn)生？

如上圖，運(yùn)放的失調(diào)電壓，一般是建立上面的模型，我們將Vp,Vn對(duì)地短路，如果是理想放大器，那么輸出Vo應(yīng)該是0V；

真實(shí)的運(yùn)放內(nèi)部處理Vp和Vn的輸入級(jí)可能并不是理想的，其對(duì)應(yīng)的晶體管會(huì)有偏差。導(dǎo)致當(dāng)Vp=Vn=0V時(shí)，Vo并不是0V。

要想讓Vo為0V，那么必須在輸入端加一個(gè)電壓，這個(gè)電壓就是失調(diào)電壓Vos。

如上圖，這是運(yùn)放LM2904的框圖，運(yùn)放一般分為三級(jí)，第一級(jí)是輸入級(jí)，對(duì)應(yīng)圖中的陰影部分，其輸出Ib是后面兩級(jí)的輸入，，第二級(jí)是中間級(jí)，主要是提供放大倍數(shù)，第三級(jí)是輸出級(jí)，主要是為了能改善帶載能力，當(dāng)然也有一定的放大能力。

先看下輸入級(jí)，最下面的兩個(gè)管子構(gòu)成了電流鏡，這個(gè)電流鏡看如下：

根據(jù)電流鏡，IC4=IC1，然后如果說輸入級(jí)的管子完全一樣的話，IN+和IN-電壓又一樣，那么必然有IC1=IC2，結(jié)合兩式子，就有IC2=IC4，進(jìn)而推出Ib=0。

Ib=0有啥特殊的?

Ib=0應(yīng)該就對(duì)應(yīng)運(yùn)放線性區(qū)的中心點(diǎn)，我們回想一下運(yùn)放的使用，運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，是不是有"虛短"，就是IN+等于IN-，那不就對(duì)應(yīng)Ib=0嗎？

上面說的IN+和IN-的輸入管子是一模一樣的情況下，但是實(shí)際應(yīng)用中，管子肯定有一定的差別的，那就導(dǎo)致了在IN+和IN-電壓一樣的時(shí)候，導(dǎo)致IC1和IC2不一樣，而因?yàn)殡娏麋R，IC1=IC4依然成立，這樣就導(dǎo)致IC2≠IC4，最終導(dǎo)致Ib≠0。這個(gè)Ib輸入到后兩級(jí)電路中被放大，最終反應(yīng)到out端。

如果想要輸出端Vout =0,那么就要Ib = 0,這個(gè)時(shí)候的在IN+和IN-端加一個(gè)電壓差，用來抵消管子差異帶來的影響，正好讓IC1=IC2，這個(gè)壓差其實(shí)就是Vos;運(yùn)放給出的Vos一般是一個(gè)范圍，同一型號(hào)的運(yùn)放的可能因個(gè)體不同，Vos也是不同的，如下圖LM2904的不同個(gè)體之間失調(diào)電壓的分布圖：

電路設(shè)計(jì)時(shí)，是否要考慮這個(gè)失調(diào)電壓Vos呢？

以LM2904為例，看下下圖：

這個(gè)運(yùn)放最大的Vos為4mV,設(shè)計(jì)時(shí)是否要考慮進(jìn)去呢？設(shè)想下一個(gè)具體的情景，假如我們有一個(gè)同相放大器，放大了50倍，要求輸出電壓誤差不超過100mV，這個(gè)運(yùn)放失調(diào)電壓4mV會(huì)在輸出端產(chǎn)生200mV的誤差，所以不滿足要求，有一點(diǎn)需要注意，失調(diào)電壓在輸出端產(chǎn)生誤差并不總等于放大電路本身的放大倍數(shù)，失調(diào)電壓的誤差怎么算？

下面繼續(xù)解釋失調(diào)電壓對(duì)輸出端誤差的計(jì)算

先看下面同相放大電路

原本輸入Vin，實(shí)際輸入電壓是Vin+Vos,那么輸出就是Vout = (1+R1/R2)*(Vin+Vos)。

如果Vos=0,那么輸出就是Vout = (1+R1/R2)*Vin。這就是我們常見的同相放大電路的輸出公式，如果Vos≠0，那么相當(dāng)于在原來的基礎(chǔ)上

疊加了(1+R1/R2)*Vos，這個(gè)電壓就是Vos對(duì)后端輸出的影響，同相放大器的放大倍數(shù)是(1+R1/R2)，Vos也是被放大了(1+R1/R2)倍，放大后疊加在輸出端。

再看看方向放大器

如上提是反向放大器電路，若運(yùn)放本身的失調(diào)電壓是Vos,那么理想運(yùn)放的同相輸入端Vos，根據(jù)運(yùn)放的虛短，反相端的電壓也就是Vos。

在根據(jù)虛斷，流過R1和流過R2的電流相等，IR1=（VO-Vos）/R1;IR2=(Vos-Vin)/R2;那么有了這個(gè)式子：（VO-Vos）/R1=(Vos-Vin)/R2;化簡得到:Vo=-(R1/R2)*Vin+(1+R1/R2)*Vos。

如果Vos=0;那么Vo=-(R1/R2)*Vin；如果Vos不等于0，那么久疊加了(1+R1/R2)*Vos。

總之不管是同相放大電路還是反相放大電路，Vos對(duì)輸出端的影響都是(1+R1/R2)*Vos。

失調(diào)的電壓Vos的仿真：

從TI官網(wǎng)上下載LM2904的spice文件，然后創(chuàng)建模型，用LTspice仿真，如下圖：

輸入電壓為0V，如果運(yùn)放模型沒有Vos參數(shù)，，那么輸出為0V,運(yùn)行如下圖：

可以看到，這個(gè)器件模型是有Vos的，因?yàn)閂out有2V多的電壓，在圖示的工作條件下，Vp=0V,Vn=2.1653608mV;可以推斷出Vos=2.1653608mV(運(yùn)放的偏置電流暫時(shí)忽略)

下面再給輸入一個(gè)1mV/2HZ小信號(hào)，看看輸出情況：

可以看到，輸出信號(hào)被疊加了一個(gè)2.17V的偏置電壓，如果沒有Vos,中心電壓應(yīng)該是0V，但是如圖看中心電壓約2.1V左右，所以說Vos被放大了之后，作為一個(gè)直流信號(hào)被疊加到輸出端。

總結(jié)：在實(shí)際應(yīng)用中，運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓Vos,要注意以下幾點(diǎn)：

1）Vos是可以被放大的，且放大之后直接作為一個(gè)直流電壓疊加到輸出端；

2）不論是同相放大器還是反相放大器，Vos在電路中的放大倍數(shù)都是1+R1/R2;

審核編輯 黃宇