運算放大器的直流誤差特性及其對高精度應(yīng)用的影響

本文討論運算放大器的直流限制及其影響，包括輸入偏置電流、輸入失調(diào)電壓、CMRR、PSRR和輸入阻抗。本文將使讀者更好地了解這些限制如何在高精度應(yīng)用中產(chǎn)生精度問題。

運算放大器是雙端口集成電路（IC），它們對外部輸入信號施加精確的增益，并提供放大后的輸出：輸入×閉環(huán)增益。精密運算放大器在低至中等頻率和中等直流增益下工作時表現(xiàn)接近理想。然而，即使在這些條件下，運算放大器性能也會受到其他因素的影響，這些因素會影響精度并限制性能。在這些限制中，最常見的是高直流增益應(yīng)用中占主導(dǎo)地位的折合到輸入端的誤差。

本文將討論折合到輸入端的誤差對運算放大器的影響。這些誤差包括輸入偏置電流、輸入失調(diào)電流、輸入失調(diào)電壓、CMRR、PSRR和有限輸入阻抗。實際上，所有這些錯誤將同時發(fā)生。我們還解釋了為什么設(shè)計人員應(yīng)該警惕數(shù)據(jù)手冊EC表中描述的運算放大器性能規(guī)格僅在該表頂部定義的條件下得到保證，除非另有說明的特定特性。實際上，當(dāng)電源電壓、共模電壓范圍和其他條件發(fā)生變化時，這些直流誤差的影響會發(fā)生變化。

輸入偏置和輸入失調(diào)電流引起的誤差

我們都熟悉我們周圍的潛在危險，我們工程師往往會忘記在設(shè)計時也有危險的陷阱需要避免。讓我們看看這對運算放大器有何影響。

我們從兩個基本等式開始：

IB = (IBP + IBN)/2 …..

IOS = IBP - IBN …..

哪里：

IB是流入輸入引腳的平均輸入偏置電流;

IBP 是流入正輸入端的輸入偏置電流;

IBN是流入負(fù)輸入的輸入偏置電流;

IOS是輸入失調(diào)電流。

輸入偏置和輸入失調(diào)電流是許多精密放大器應(yīng)用中兩個最關(guān)鍵的特性;它們通過阻性和容性反饋影響輸出。許多反相、同相、求和和差分放大器在其有源輸入設(shè)置為零后降至圖2A和2B。對于此分析，我們將所有輸入信號設(shè)置為零，以評估輸入電流對輸出精度的影響。我們將分別分析阻性反饋（圖2A）和電容反饋（圖2B）電路。

圖 2A.帶阻性反饋的運算放大器。圖 2B.帶電容反饋的運算放大器。示例器件包括MAX9620和MAX4238運算放大器。

應(yīng)用圖 2A 上的疊加定理可得到：

VOUT = (1 + RF/RG) × [(RF//RG) × IBN – RP × IBP] ……

從公式3可以得出以下推論：

在沒有任何輸入信號的情況下，電路產(chǎn)生有限的輸出電壓。這種不需要的輸出誤差也稱為輸出直流噪聲。

輸出電壓通過將輸入誤差或輸入直流噪聲放大（1 + R）產(chǎn)生FRG).

輸入直流噪聲有兩個分量：壓降為I英國石油公司流經(jīng) RP和電壓降，因為我億流經(jīng) R 的組合FRG.

根據(jù)應(yīng)用中所需的精度水平，我們必須對無源元件值和運算放大器本身做出一些謹(jǐn)慎的選擇。這是消除輸入偏置電流對輸出精度影響的最佳方法。因此，選擇 RP= RFRG收益 率：

VOUT = - (1 + RF/RG) × (RF//RG) × IOS …..

選擇 RP= RFRG幫助我們減少數(shù)量級的輸出誤差。但對于傳感器接口具有大增益（> 100V/V）的高精度應(yīng)用，仍然最好選擇低輸入失調(diào)電流運算放大器。此外，添加 R 并不總是可行的P.最后，輸入偏置電流和電阻大小在輸出誤差中起著重要作用。針對這些情況，設(shè)計人員應(yīng)選擇具有低輸入偏置電流、低輸入失調(diào)電壓、低速度功率比以及高CMRR和PSRR的運算放大器，如MAX44260、MAX9620和MAX4238。

通過選擇較低的R可以進(jìn)一步降低輸出誤差F和 RG這反過來又增加了電路的功耗。在選擇電阻尺寸時，需要在輸出誤差和功耗之間保持謹(jǐn)慎的權(quán)衡。

現(xiàn)在我們回到圖 2B。正輸入和負(fù)輸入上的電壓產(chǎn)生：

VIN+ = VIN- = -RP × IBP

其中 VHNJ是同相輸入端的電壓，V在-是反相輸入端的電壓。

應(yīng)用基爾霍夫關(guān)于反轉(zhuǎn)輸入收益率的現(xiàn)行定律：

VIN-/RG + IBN - IC = 0…..

我們消除V在-在公式6中，用公式5代入，公式7得到輸入偏置電流和通過反饋電容的電流：

IC = (RG × IBN - RP × IBP)/RG …..

現(xiàn)在應(yīng)用邁克爾法拉第電容定律：

VC = 1/C ?IC dt

其中 VC是電容器兩端的電壓，也是 V外.將等式7代入等式8得到：

VOUT = 1/(RG × C) × Integral(RG × IBN - RP × IBP)dt…..

公式9給出了圖2B中的輸出電壓誤差。若要最大程度地減少此錯誤，可以選擇 RP= RG，這將公式 9 簡化為：

VOUT = -1/(C) × Integral(IOS) dt …..

由于 C 和IOS相對恒定，隨時間推移對公式10進(jìn)行積分將得到：

VOUT = -IOS × t/C …….

等式11表示一個電壓斜坡，驅(qū)動運算放大器達(dá)到飽和狀態(tài)。

V 引起的錯誤操作系統(tǒng)和TCV操作系統(tǒng)

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現(xiàn)在，我們將解釋輸入失調(diào)電壓對運算放大器電路中典型阻性和容性反饋的影響。

圖 3A.帶阻性反饋的運算放大器。圖 3B.帶電容反饋的運算放大器。

從圖3A可以看出，輸出電壓誤差為：

VOUT = (1 + RF/RG) × VOS …..

其中 （1 + RF/RG） 是直流噪聲增益。電阻越大，誤差越大。

從圖 3B 中，我們有 IC= IRG，用于輸入偏置電流可忽略不計的運算放大器;對于 V在-= V操作系統(tǒng)，我們有我C= IRG = V操作系統(tǒng)/RG.使用法拉第電容定律可得到：

VOUT = Integral(VOS) dt/(RG × C) …..

同樣，如果我們隨著時間的推移對公式13進(jìn)行積分，運算放大器輸出會飽和到任一電源軌，具體取決于V的極性。操作系統(tǒng).

從公式12和13可以得出一個重要結(jié)論：對于給定的無源電阻和電容值，失調(diào)電壓是累積輸出電壓誤差的主要因素。

現(xiàn)在是舉個例子的時候了。失調(diào)電壓（TCVos）和輸入失調(diào)電壓的熱漂移在溫度變化常見的精密應(yīng)用中起著非常關(guān)鍵的作用。強調(diào)TCV的重要性操作系統(tǒng)對于精密應(yīng)用中的運算放大器，我們比較了典型運算放大器（最大TCV操作系統(tǒng)= 5μV/°C 和最大值 V操作系統(tǒng)= 50μV），MAX9620 （最大TCV操作系統(tǒng)= 0.12μV/°C 和最大值 V操作系統(tǒng)= 10μV）。我們可以說：

Maximum VOS(T) = max VOS(+25°C) + maximum TCVOS × (T-25°C)

現(xiàn)在我們可以以MAX9620運算放大器為例。假設(shè)在給定應(yīng)用中，溫度從室溫（+25°C）變?yōu)?125°C，并且最大V操作系統(tǒng)由于熱漂移是：

Maximum VOS(T) = 10μV + 0.12μV/°C × (100°C) = 22μV ….

相比之下，運算放大器的最大失調(diào)電壓為50μV，最大TCV為5μV/°C操作系統(tǒng)收益 率：

Maximum VOS(T) = 50μV + 5μV/°C × (100°C) = 550μV ….

這些結(jié)果表明，在應(yīng)用中需要高精度的輸入失調(diào)電壓中，熱漂移對于輸入失調(diào)電壓非常重要。

由 CMRR 和 PSRR 限制引起的錯誤

典型運算放大器中的有限共模抑制比（CMRR）會在輸入端引入失調(diào)電壓，從而降低精度。放大器的CMRR越高，對額定輸入共模電壓的輸入失調(diào)電壓變化越不敏感。在輸入信號非常小的應(yīng)用中，即在mV量級范圍內(nèi)，高CMRR絕對至關(guān)重要。

放大器的CMRR是差分增益（A差異） 至共模增益 （A厘米).CMRR也可以用輸入失調(diào)電壓相對于輸入共模電壓變化（V厘米） 1V。因此：

VOUT = ADIFF × [(VIN+ - VIN-) + ACM × VCM/ADIFF]

等式17也可以稱為：

VOUT = ADIFF × (VIN+ - VIN-) + ACM × VCM ……………….

也：

CMRR = ADIFF/ ACM = delta (VCM)/delta(VOS)

有限電源抑制比（PSRR）在引入相對于電源電壓變化的額外輸入失調(diào)電壓方面也起著重要作用。電源電壓的變化（V抄送）改變內(nèi)部晶體管的工作點，進(jìn)而影響輸入失調(diào)電壓。PSRR越高，當(dāng)電源電壓變化時，放大器對輸入失調(diào)電壓的變化就越不敏感。

PSRR = delta (VCC)/delta (VOS)

除非另有說明，否則放大器數(shù)據(jù)手冊的電氣特性（EC）表中提供的CMRR和PSRR規(guī)格分別在特定輸入共模電壓和電源電壓范圍內(nèi)指定。提供的CMRR規(guī)范在整個電源范圍內(nèi)并不相同，提供的PSRR規(guī)范在整個輸入共模范圍內(nèi)也不相同。3

輸入阻抗限制引起的誤差

有限輸入阻抗（R在） 的運算放大器將與源阻抗 （RS） 驅(qū)動放大器并引入增益誤差。因此，輸入阻抗非常高，大約為109需要歐姆以確保誤差可以忽略不計。

在上述情況下輸入信號量（V在放大器從源看到的取決于定義為以下的輸入阻抗參數(shù)：

VIN = VSOURCE × [RIN/(RIN+RS)]………………………..S)].............................

從公式 18 如果 R在>>>·S，然后 V在= VS.

總結(jié)

總之，如果不解決輸入失調(diào)電壓、輸入偏置電流和有限輸入阻抗等直流誤差，運算放大器測量將根本不準(zhǔn)確。在精度至關(guān)重要的高精度應(yīng)用中，這種性能是不可接受的。設(shè)計人員還必須了解數(shù)據(jù)手冊EC表中定義的運算放大器性能規(guī)格的重要性和局限性。按照此處介紹的指南，設(shè)計人員可以選擇正確的運算放大器和具有正確配置的無源元件。最終，在設(shè)計中使用最好的運算放大器將消除運算放大器誤差并確保盡可能高的精度。

審核編輯：郭婷