運放塊輸出失調電壓消除,只需一個電阻(上集)

　　輸出失調電壓和靜態基極電流是運放塊參數中的「壞孩子」， 造成輸出信號中軸偏離0軸的豎向失真，甚至飽和，制約弱信號放大電路的增益，現有的解決方案已經不少，但本仿真僅有一個電阻，讓其缺點相剋，就變成「好孩子」。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/282303.htm

　　運放塊開環增益參數最大幾十萬的數量級，避免產生額外的誤差;同時壓擺率、增益帶寬積參數與輸入頻率必須匹配，避免電路實際與計算參數不一致以及工作不穩定。默認單位：電壓=V，電路=A，電阻=Ω。

　　幾個概念存查，可略過。

　　**)，運放塊的開環增益A∝(Open-Loop Gain)

　　運放塊在沒有外接負反饋時的放大倍數。

　　**)，輸入失調電壓Vos(Input Offset Voltage)

　　當輸入端為0時，輸出端Uo≠0，此存在電壓稱為輸出失調電壓(Output Offset Voltage，本帖簡稱Uos)，這是運放塊內部因素造成的;Vos參數表示和量化這些因素，並非輸入端真的存在此物理量。

　　**)，輸入偏置電流Ibs(Input Bias Current) 和輸入失調電流Ios(Input Offset Current)也是推算出來的參數，不是真實存在的物理量。

　　當輸入端為0時，運放塊輸入級差分管對自身存在的靜態基極電流Ib1和Ib2之平均值稱為輸入偏置電流，即Ibs=(Ib1+Ib2)/2;它們之差稱為輸入失調電流，即Ios=|Ib1-Ib2|。

　　1)，運放塊跟隨器Uos的消除

　　以下對各參數單獨測試，避免它們交叉影響。

　　1-1)，Uos和Vos的關係

　　測試HA-2540運放塊跟隨器

　　如下左電路(雙電源+-15v省缺，下同)，運放塊+輸入端接地，電壓為0，測得輸出端Ua=Uos=0.008 (綠線)，按照放大電路輸入信號幅度放大G倍等於輸出信號幅度，即，Vos=Uos/G=0.008，查HA-2540參數Vos就是0.008，與測試一致。此法可以測量運放塊未知的Vos參數。

　　如右電路+輸入端接電源-0.008=-Vos，對應輸出-0.008*G=-0.008與Uos相抵消，則輸出端Ub=0 (藍線)。

　　結論：**)，Uos=Vos*G――――――1-1

　　**)，在+輸入端加一個-Vos電壓，對應輸出- Vos*G=-Uos，就抵消Uos，輸出為0。

　　

 

　　1-2)，Uos和Ibs、Ios的關係

　　運放塊輸入級差分管自身具有的靜態基極電流Ib1和Ib2，在外加接地電阻Ro產生的壓降就給輸入端加一電壓，如果電阻值合適，對應輸出的電壓就抵消Uos。

　　如下電路，運放塊參數Vos=0.001，Ibs=0，Ios=1e-6，U+接地時，Uo輸出0.001v的Uos，如圖左側綠線;當Ro=2K時，Ios的壓降U+=-0.001 (紅線)，等於+輸入端加一個-Vos電壓，對應輸出-Vos*G=-0.001抵消Uos，則Uo=0(右側藍線)。

　　上述運放塊參數改為Ibs=1e-6而Ios=0，當Ro=1K時，Ibs壓降U+=-0.001，也等於+輸入端加一個-Vos電壓，則Uo=0。

　　

 

　　1-3)，如何計算Ro電阻值

　　從1-2測試可知，同樣標稱電流的Ios和Ibs在同一電阻的壓降不同，那是由於它們分別表示的靜態基極電流不同，在+端的壓降實際上是靜態基極電流產生的。假設壓降是-Ib1*Ro，參數Ios是Ib1和Ib2之和的絕對值，標稱值的一半才是Ib1電流值，所以-Ib1*Ro=-0.5Ios*Ro;而Ibs參數是Ib1和Ib2的平均值，故-Ib1*Ro=-Ibs*Ro。由於說明書沒有提供Ib1和Ib2數據，分析計算時就直接採用相關的Ios和Ibs參數，不必去推算出Ib1和Ib2。

　　Ios和Ibs在+端壓降之和為-0.5Ro*Ios+(-Ro*Ibs)，如果等於-Vos，即-Ro(0.5Ios+Ibs)=-Vos，對應輸出-Ro(0.5Ios+Ibs)G就可以消除Uos。整理移項得計算Ro關係式：

　　Ro=Vos/(0.5Ios+Ibs)――――――(1-3)

　　從關係式可知，分子項與分母項的數量級相差太大或太小，Ro準確取值難度就大，影響Uos消除精度。

　　以HA-2540運放塊為例仿真驗證，

　　HA-2540參數：Vos=0.008v，Ibs=5e-6A，Ios=1e-6A，代入1-3關係式，

　　Ro=Vos/(0.5Ios+Ibs)=(8e-3)/[ 0.5(1e-6) + (5e-6)]=1.4545K，搭建跟隨器，

　　如果8uv的弱調幅波Ui(紅線)直接輸入，Uos沒有消除，8mv直流分量的複合信號Ua (綠線)，無法辨認調幅波分量。

　　而調幅波經Ro輸入(效果與接地一樣)，消除了Uos，輸出1:1的波形Ub(藍線)與Ui的中軸重疊(波形圖故意錯開，才能看清)。

　　

 

　　1-4)，如果運放塊參數Ios=Ibs=0，在Ro無壓降。1-3式中分母=0無意義，公式不適用。實際上運放塊總是有靜態基極電流。

　　用兩個參數一樣的運放塊接成圖a的電路，可以適用於任何參數的運放塊跟隨器消除輸出失調電壓。雖然多用一個運放塊，但是不用計算。

　　

 

　　1-5)，跟隨器反相輸入與同相輸入的結果一樣

　　以運放塊LM709為例，參數：Vos=0.001v，Ibs=2e-7A，Ios=5e-8A，代入1-3關係式計算的Ro，

　　Ro=Vos/(0.5Ios+Ibs)= (1e-3)/[0.5(5e-8)+(2e-7)]=4.44444 K，

　　搭建電路如下，其結果與同相輸入一樣。