如何正確理解運(yùn)算放大器輸入失調(diào)電壓

Q&A

問： 如何正確理解運(yùn)算放大器輸入失調(diào)電壓？

輸入失調(diào)電壓Vos(Voltage - Input Offset)，指的是為使運(yùn)算放大器輸出端為0V所需加于兩輸入端間之補(bǔ)償電壓。理想之運(yùn)算放大器其Vos應(yīng)該為0V。

輸入失調(diào)電壓相當(dāng)于加載輸入端的一個(gè)額外的電壓源。舉個(gè)例子：

• 如果閉環(huán)增益G=1（如下圖左邊）, 失調(diào)電壓Vos傳導(dǎo)到輸出端Vout = Vos
• 如果閉環(huán)增益G=1000（如下圖右邊），失調(diào)電壓Vos傳導(dǎo)到輸出端Vout = 1000Vos

圖1：不同閉環(huán)增益下的失調(diào)電壓Vos對(duì)于輸出電壓影響（圖片來源：TI）

所以，閉環(huán)增益越大，失調(diào)電壓對(duì)于輸出的影響越大。

除此之外，我們還要注意一點(diǎn)。失調(diào)電壓不是一直不變的，最大的失調(diào)電壓變化一般出現(xiàn)在輸出極值時(shí)。

為了保證失調(diào)電壓在可控范圍內(nèi)，我們還要關(guān)注開環(huán)增益。我們?cè)诙x開環(huán)增益時(shí)，比如TI的TLV8542，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)開環(huán)增益的工作條件分別在電源正軌道-0.6V，負(fù)軌道+0.6V定義。

圖2：TLV8542開環(huán)增益

如下圖，橫坐標(biāo)輸出電壓Vout從負(fù)電源軌-Vs到正電源軌+Vs變化。藍(lán)線代表開環(huán)增益，開環(huán)增益會(huì)在接近電源正負(fù)軌時(shí)，我們可以看到急劇惡化。

所以對(duì)于開環(huán)增益的定義，很多廠商（比如TI）, 會(huì)在一個(gè)較大的輸出擺動(dòng)范圍求其平均值，以實(shí)現(xiàn)良好的線性運(yùn)行。比如選擇電源正軌道-0.6V，負(fù)軌道+0.6V來計(jì)算開環(huán)增益，如上圖紅線。

最大的失調(diào)電壓變化一般出現(xiàn)在輸出極值時(shí)，比如接近電源正負(fù)軌。在中間部分，增量開環(huán)增益較高，然后在輸出接近電源正負(fù)軌道附近的時(shí)候下降。如果將運(yùn)算放大器推向其擺幅極限時(shí)（超負(fù)荷工作），失調(diào)電壓會(huì)更劇烈地上升。

讓我們來做一些具體的計(jì)算。如果直流開環(huán)增益為100dB，則相當(dāng)于：

因此，每從中位電壓輸出擺動(dòng)1V，輸入電壓必須改變10μV。可把它看作隨直流輸出電壓變化的失調(diào)電壓。輸出擺動(dòng)9V，變化為90μV。

所以，為了保證失調(diào)電壓在可控范圍內(nèi)，盡量不要讓放大器工作在超負(fù)荷工作，從而導(dǎo)致更大的失調(diào)電壓。