1200字搞懂運(yùn)放電路中輸入失調(diào)電壓的分析，計(jì)算，以及選型對策

Part 01

前言

前兩篇文章我們講述了運(yùn)算放大器輸入偏置電流，輸入失調(diào)電流，輸入失調(diào)電壓作為運(yùn)放輸入特性參數(shù)中比較重要的特性參數(shù)之一，當(dāng)然也是需要重點(diǎn)關(guān)注的，我們今天會講一下運(yùn)放失調(diào)電壓。在理想運(yùn)算放大器的情況下，當(dāng)輸入電壓 (V i ) 為 0 V時(shí)，V IN(+)和 V IN(-)端子的直流電壓完全匹配。然而，實(shí)際上存在以下差異V IN(+)和 V IN(-)端子之間的輸入阻抗和輸入偏置電流，導(dǎo)致它們的電壓略有不同。這種稱為輸入失調(diào)電壓的差值乘以增益，表現(xiàn)為與運(yùn)放理想輸出電壓的偏差。

如果運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入電壓完全相同，則輸出應(yīng)為零伏，因?yàn)?V的差分應(yīng)產(chǎn)生0V的輸出。然而，實(shí)際上，輸出端通常會有一些電壓。這稱為輸出失調(diào)電壓 。輸出失調(diào)電壓有很多影響因素，比如輸入失調(diào)電流，輸入失調(diào)電壓等，輸入失調(diào)電壓可以理解成運(yùn)放內(nèi)部的等效電壓源VOS與運(yùn)算放大器的輸入串聯(lián)。

特別是我們當(dāng)用運(yùn)放設(shè)計(jì)傳感器電路時(shí)，由于傳感器對于精度要求比較高，那么運(yùn)算放大器的輸入偏移電壓會導(dǎo)致傳感器檢測靈敏度的誤差。為了將傳感器測試誤差保持在規(guī)定的容差水平以下，硬件工程師在設(shè)計(jì)時(shí)必須選擇具有低輸入失調(diào)電壓的運(yùn)算放大器。

Part 02

輸入失調(diào)電壓產(chǎn)生的原因

運(yùn)放輸入級的晶體管（如差分對中的三極管）由于制造工藝的限制，可能存在參數(shù)（如電流增益、閾值電壓等）的不匹配，這一不匹配因素就會導(dǎo)致輸入失調(diào)電壓的產(chǎn)生。另外，溫度變化會影響輸入級的電流和電壓特性，從而引起失調(diào)電壓的變化。

Part 03

輸入失調(diào)電壓的影響因素

影響運(yùn)放輸入失調(diào)電壓有因素，一個(gè)是溫度，另外一個(gè)是時(shí)間，運(yùn)放規(guī)格書中會給出失調(diào)電壓的溫度系數(shù)，那么如何利用這個(gè)溫度系數(shù)計(jì)算運(yùn)放輸入失調(diào)電壓呢？比如下圖給出了25℃下AMP02F運(yùn)放的最大輸入失調(diào)電壓是200uV，對應(yīng)的溫度系數(shù)最大是4uV/℃，那么85℃時(shí)的最大輸入失調(diào)電壓=200uV+4uV/℃*（85℃-25℃）=440uV。

時(shí)間對運(yùn)放失調(diào)電壓的影響如何評估呢？比如下圖運(yùn)放規(guī)格書中給出的運(yùn)放OP177G的失調(diào)電壓漂移率為0.4μV/月。這意味著在運(yùn)放使用一個(gè)月后，失調(diào)電壓可能增加0.4微伏（注意此處是典型值）。接著，經(jīng)過六個(gè)月，失調(diào)電壓可能累計(jì)增加2.4 μV（0.4 μV/月 × 6個(gè)月）。

Part 04

輸入失調(diào)電壓的影響

參考下面的電路圖，該電路為同相放大電路，電路增益為(R1+R2)/R1，輸入失調(diào)電壓可以看作是電壓源，這樣電路中就有兩個(gè)電壓源，遇到這種多電源電路最簡單的處理方式就是疊加定理，把另外一個(gè)電壓源短路處理，來考慮單獨(dú)一個(gè)電壓源對輸出的影響，這樣輸入輸入失調(diào)電壓是Vio，那么由此產(chǎn)生的輸出電壓偏移就是Vio*(R1+R2)/R1=Vio*A，其中A是電路的增益，也就是說電路的增益越大，那么輸入失調(diào)電壓對輸出的影響越大。

Part 03

如何彌補(bǔ)輸入失調(diào)電壓的影響呢

那么我們該如何彌補(bǔ)輸入失調(diào)電壓的影響呢？運(yùn)放制造商通常會做出一些設(shè)計(jì)來調(diào)整封裝，進(jìn)而調(diào)整運(yùn)算放大器的偏移。通常，運(yùn)算放大器封裝上的兩個(gè)額外端子用于連接外部“微調(diào)”電位計(jì)。這些連接點(diǎn)被標(biāo)記為offset null，在 741單運(yùn)算放大器上，偏移零點(diǎn)連接點(diǎn)是 8 引腳，DIP 封裝上的引腳 1 和 5。并以下圖這種方式使用：