運算放大器工作原理及誤差分析

這樣可以計算出，0~25℃的溫度漂移造成的影響如下：
項目 單位 參數(shù)
輸入失調(diào)電壓溫漂造成的誤差 μV 0.5
輸入失調(diào)電流溫漂造成的誤差 μV 0.05
合計本項誤差為 μV 0.55
輸入信號200mV時的相對誤差 % 0.0003
輸入信號100mV時的相對誤差 % 0.0005
輸入信號 25mV時的相對誤差 % 0.0022
輸入信號 10mV時的相對誤差 % 0.0055
輸入信號 1mV時的相對誤差 % 0.055
初步結(jié)論是：在使用高精密運放時，由于失調(diào)電壓溫度系數(shù)很小，幾乎沒有造成影響，使得它能夠放大1mV以以下的直流信號。

若其它條件不變，僅僅運放的外圍電阻等比例增加一倍，造成誤差如下：
這樣可以計算出，在25℃的溫度下的失調(diào)誤差造成的影響如下：
項目 單位 參數(shù)
輸入失調(diào)電壓造成的誤差 μV 0.7
輸入失調(diào)電流造成的誤差 μV 0.4
合計本項誤差為 μV 1.1
這樣可以計算出，0~25℃的溫度漂移造成的影響如下：
項目 單位 參數(shù)
輸入失調(diào)電壓溫漂造成的誤差 μV 0.5
輸入失調(diào)電流溫漂造成的誤差 μV 0.09
合計本項誤差為 μV 0.59
初步結(jié)論：僅僅運放的外圍電阻等比例增加一倍，運放的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電壓溫漂造成誤差不變，而輸入失調(diào)電流和輸入失調(diào)電流溫漂造成的誤差隨之增加了一倍，對于高阻信號源或是運放外圍的電阻較高時，輸入失調(diào)電流和輸入失調(diào)電流溫漂造成的誤差會很快增加，甚至有可能超過輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電壓溫漂造成誤差。由于這些誤差太小，不調(diào)零時的總誤差不過2μV，所以忽略。

3．1 例一，運算放大器的對直流小信號放大的影響
這里的直流小信號指的是信號幅度低于200mV的直流信號。
為了便于介紹，這里采用標(biāo)準(zhǔn)差分電路。這里假定同相輸入端的輸入電阻為R1，同相輸入端的接地電阻為R3，反相輸入端的輸入電阻為R2，反相輸入端的反饋電阻為R4。運放采用雙電源供電。假定R1=R2=10k歐姆，R1=R2=100k歐姆，這樣放大電路的輸入電阻=10k歐姆，運放的同相端和反相端的等效輸入電阻=10k歐姆并聯(lián)100k歐姆≈9.09 k歐姆，輸入增益Av=10。
這里假定工作溫度范圍是0~50℃，所以假定調(diào)零溫度為25℃，這樣實際有效變化范圍只有25℃，可以減小一半的變化范圍。
還假定輸入信號來自于一個無內(nèi)阻的信號源，為了突出運放的影響，這里暫時不考慮線路噪聲、電阻噪聲和電源變動等的影響。
這里選用通用運放LM324、高阻運放CA3140、高速運放HA5159、低功耗運放LF441、精密運放OP07D、高精度運放ICL7650等6種運放來比較運算放大器的對直流小信號放大的影響。由于不同廠家的同種運放的指標(biāo)不盡相同，這里運放的指標(biāo)來自于中南工業(yè)大學(xué)出版社出版的《世界最新集成運算放大器互換手冊》，所選的集成運算放大器指標(biāo)如下：

LM324的主要指標(biāo)為：
項目 單位 參數(shù)
輸入失調(diào)電壓 μV 9000
輸入失調(diào)電壓溫度漂移 μV/℃ 7
輸入失調(diào)電流 nA 7
輸入失調(diào)電流溫度漂移 pA/℃ 10

這樣可以計算出，在25℃的溫度下的失調(diào)誤差造成的影響如下：
項目 單位 參數(shù)
輸入失調(diào)電壓造成的誤差 μV 9000
輸入失調(diào)電流造成的誤差 μV 63.6
合計本項誤差為 μV 9063
輸入信號200mV時的相對誤差 % 4.5
輸入信號100mV時的相對誤差 % 9.1
輸入信號 25mV時的相對誤差 % 36.3
輸入信號 10mV時的相對誤差 % 90.6
輸入信號 1mV時的相對誤差 % 906
初步結(jié)論是：輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流造成的誤差較大，但是可以在工作范圍的中心溫度處通過調(diào)零消除。其中輸入失調(diào)電壓造成的誤差遠遠超過輸入失調(diào)電流造成的誤差。

這樣可以計算出，0~25℃的溫度漂移造成的影響如下：
項目 單位 參數(shù)
輸入失調(diào)電壓溫漂造成的誤差 μV 175
輸入失調(diào)電流溫漂造成的誤差 μV 2.3
合計本項誤差為 μV 177.3
輸入信號200mV時的相對誤差 % 0.09
輸入信號100mV時的相對誤差 % 0.18
輸入信號 25mV時的相對誤差 % 0.71
輸入信號 10mV時的相對誤差 % 1.77
輸入信號 1mV時的相對誤差 % 17.7
初步結(jié)論是：在使用LM324時，由于輸入失調(diào)電壓溫度系數(shù)較大，造成的影響較大，使得它不適合放大100mV以下直流信號。若以上兩項誤差合計將更大。

若其它條件不變，僅僅運放的外圍電阻等比例增加一倍，造成誤差如下：
這樣可以計算出，在25℃的溫度下的輸入失調(diào)誤差造成的影響如下：
項目 單位 參數(shù)
輸入失調(diào)電壓造成的誤差 μV 9000
輸入失調(diào)電流造成的誤差 μV 127.3
合計本項誤差為 μV 9127
這樣可以計算出，0~25℃的溫度漂移造成的影響如下：
項目 單位 參數(shù)
輸入失調(diào)電壓溫漂造成的誤差 μV 175
輸入失調(diào)電流溫漂造成的誤差 μV 4.5
合計本項誤差為 μV 179.5
初步結(jié)論：僅僅運放的外圍電阻等比例增加一倍，運放的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電壓溫漂造成誤差不變，而輸入失調(diào)電流和輸入失調(diào)電流溫漂造成的誤差隨之增加了一倍。所以，對于高阻信號源或是運放外圍的電阻較高時，輸入失調(diào)電流和輸入失調(diào)電流溫漂造成的誤差會很快增加，甚至有可能超過輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電壓溫漂造成誤差，所以這時需要考慮采用高阻運放或是低失調(diào)運放。

3．1 例二，運算放大器的外部電路對直流小信號放大的影響
這里的電路條件與例一相同。
本例主要討論共模抑制比、電源變動抑制、外部電阻不對稱等的影響。
這里仍然選用精密運放OP07D。由于不同廠家的同種運放的指標(biāo)不盡相同，這里運放的指標(biāo)來自于中南工業(yè)大學(xué)出版社出版的《世界最新集成運算放大器互換手冊》，所選的集成運算放大器指標(biāo)如下：
OP07D的主要指標(biāo)為：
項目 單位 參數(shù)
電源變動抑制 μV/V 10
輸入偏置電流 nA 3
共模抑制比 db 106

由電源變動抑制=10μV/V可以得知，在其它條件不變的情況下，電源電壓變化幅度達到1V時造成輸入失調(diào)電壓增加10μV?？梢?，在低于10mV的微信號的放大中，對精度至少會造成0.1%的影響。
共模抑制比由106db換算為2×105。在其它條件不變的情況下，輸入信號==模電壓幅度達到1V時造成輸入電壓增加5μV?？梢姡诘陀?0mV的微信號的放大中，對精度至少會造成0.05%的影響。
這里假定同相輸入端的輸入電阻為R1，同相輸入端的接地電阻為R3，反相輸入端的輸入電阻為R2，反相輸入端的反饋電阻為R4。運放采用雙電源供電。假定 R1=10k歐姆，R2=30k歐姆，R3=100k歐姆，R4=300k歐姆，這樣放大電路的增益Av=10，運放的同相端的等效輸入電阻=10k歐姆并聯(lián)100k歐姆≈9.09 k歐姆，反相端的等效輸入電阻=30k歐姆并聯(lián)300k歐姆≈27.27 k歐姆。這樣，由于運放輸入偏置電流造成的影響為：
運放的同相端由于輸入偏置電流產(chǎn)生的電壓=3nA×9.09 k歐姆=27.27μV
運放的反相端由于輸入偏置電流產(chǎn)生的電壓=3nA×27.27k歐姆=81.81μV
這樣，對于輸入端造成的誤差等于輸入偏置電流分別在運放的同相端與反相端等效電阻上的電壓的差值（54.54μV）?？梢?，當(dāng)運放的同相端與反相端等效電阻不同時，輸入偏置電流將產(chǎn)生一定的影響，其中對于高阻運放的影響較?。ㄋ妮斎肫秒娏鞅绕胀ㄟ\放小3個數(shù)量級），而對非高阻運放影響較大，特別是在低于10mV的微信號的放大中，對精度至少會造成0.2%的影響。
本例總結(jié)：
。 對于同一個直流小信號放大時，通用運放、高阻運放、高速運放、低功耗運的性能接近，可以互換，但是從成本和采購角度來說，建議選用通用運放；但是若信號源內(nèi)阻較大（例如大于10K歐姆）時，采用高阻運放能夠減小運放輸入失調(diào)造成的誤差。
。 若不做精度要求時，選用通用運放或是高阻運放。
。 通用運放或是高阻運放只能精密放大100mV以上直流信號。
。 若要求精密放大100mV以下信號時，需要選用精密運放甚至高精度運放；
本例中沒有考慮的影響精度的因素太多，實際條件下，精度會更低。