運(yùn)放-3-失調(diào)電壓Vos的理解與仿真驗(yàn)證

我們知道，運(yùn)放有非常多的參數(shù)，這些參數(shù)的意思，我們大抵都可以從網(wǎng)上查到。作為過來人，我覺得僅僅了解字面的意思是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。所以我從這一節(jié)，開始說一說運(yùn)放的參數(shù)，先從運(yùn)放的失調(diào)電壓說起吧。

還是先帶著問題看比較好，我們可以先想一下這幾個(gè)問題：

1、失調(diào)電壓是啥？咋產(chǎn)生的？

2、失調(diào)電壓一般是uV，mv級(jí)別的，這么小，電路設(shè)計(jì)還需要考慮嗎？它到底有啥用？如果要考慮，該咋考慮呢？

失調(diào)電壓是啥？咋產(chǎn)生的？

如上圖，我們?cè)u(píng)估運(yùn)放的失調(diào)電壓時(shí)，一般建立上面的模型。我們將Vp和Vn對(duì)地短路，如果是理想放大器，那么輸出Vo應(yīng)該是0V。

真實(shí)放大器內(nèi)部處理Vp和Vn的輸入級(jí)可能并不是理想的，其對(duì)應(yīng)的晶體管會(huì)有偏差。導(dǎo)致當(dāng)Vp=Vn=0V時(shí)，Vo并不是0V。

要想讓Vo為0V，我們需要在輸入端加上一個(gè)電壓，這個(gè)電壓就是失調(diào)電壓Vos。我覺它的英文名input offset voltage（輸入偏置電壓）更容易理解一點(diǎn)。

為啥輸入管子不一致會(huì)產(chǎn)生失調(diào)電壓？

可能不好理解為什么管子不一致會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生失調(diào)電壓。我結(jié)合看的資料，自己想了下，覺得可以這么理解（只是我的想法，不一定對(duì)）。

 如上圖，這是運(yùn)放LM2904的框圖，運(yùn)放一般分為三級(jí)，第1級(jí)是輸入級(jí)，對(duì)應(yīng)圖中的陰影部分，其輸出Ib是后面兩級(jí)的輸入；第2級(jí)是中間級(jí)，主要提供放大倍數(shù)，第3級(jí)是輸出級(jí)，主要是為了能改善帶載能力，當(dāng)然也有一定的放大能力（后兩級(jí)未明確指出）。

我們看下輸入級(jí)，最下面的兩個(gè)管子構(gòu)成了電流鏡，這個(gè)電流鏡在之前說TL431的時(shí)候我們聊過，再粘過來復(fù)習(xí)下。 

      根據(jù)電流鏡，有IC4=IC1，然后如果說輸入級(jí)的管子完全一樣，IN+和IN-電壓又一樣，那么必然有IC1=IC2。結(jié)合兩式子，就有IC2=IC4，進(jìn)而推出Ib=0。

      Ib=0有什么特殊的嗎？

      Ib=0應(yīng)該就對(duì)應(yīng)運(yùn)放線性區(qū)的中心點(diǎn)。我們回想一下運(yùn)放的使用，運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，是不是有“虛短”，就是IN+等于IN-，那不就對(duì)應(yīng)Ib=0嗎？

      前面說的是IN-和IN+輸入管子完全一樣的情況，但是我們知道，實(shí)際生產(chǎn)中，管子肯定是有一定差別的，這就導(dǎo)致了在IN-和IN+電壓一樣的時(shí)候，導(dǎo)致IC1和IC2不一樣，而因?yàn)殡娏麋R，IC1=IC4依然成立，這樣就導(dǎo)致IC2≠IC4，最終導(dǎo)致Ib≠0。這個(gè)Ib輸入到后兩級(jí)電路中被放大，最終反應(yīng)到out端。

      如果我們想要Vout=0，那么就要Ib=0，這時(shí)候就得在IN+和IN-端加一個(gè)電壓差，來抵消管子差異帶來的影響，正好讓IC1=IC2，這個(gè)壓差其實(shí)就是Vos。

      運(yùn)放給出的Vos一般是一個(gè)范圍，同一個(gè)型號(hào)的運(yùn)放，不同的個(gè)體之間，Vos也是不同的，如下圖是LM2904的不同個(gè)體之間失調(diào)電壓的分布情況。

到這里，腦子里應(yīng)該對(duì)于運(yùn)放的Vos有一個(gè)基本理解了吧，下面看看電路設(shè)計(jì)需要如何評(píng)估這個(gè)參數(shù)的影響。

電路設(shè)計(jì)時(shí)，Vos要不要考慮？

下圖是LM2904手冊(cè)中標(biāo)注的失調(diào)電壓。

可以看到，這顆運(yùn)放的Vos最大才4mV，好像也不怎么高，那么要不要考慮呢？

如果不知道，我們想一個(gè)具體的場(chǎng)景：假如我們有一個(gè)同相放大電路，放大50倍，要求輸出電壓誤差不超過100mV，這個(gè)運(yùn)放滿足要求嗎？100mV比4mV大很多呀，好像也能用，是這樣嗎？

答案是不滿足要求的。

這是因?yàn)椋д{(diào)電壓在電路中也是會(huì)被放大的。上面的場(chǎng)景，4mV的失調(diào)電壓，會(huì)在輸出端產(chǎn)生200mV的誤差，所以不滿足要求。

不過有一點(diǎn)需要注意，失調(diào)電壓在輸出端造成的誤差，并不總是等于放大電路本身的放大倍數(shù)，這一點(diǎn)我之前也是想錯(cuò)了，最近看了一些資料，才搞清楚這個(gè)問題。推己及人，我想兄弟們可能也會(huì)理解錯(cuò)誤，所以下面說說具體是怎么回事。

失調(diào)電壓引起的輸出誤差計(jì)算

先看同相放大電路

如上圖是同相放大電路，原本輸入為Vin，但是從里面的理想運(yùn)放看過去，實(shí)際的輸入電壓為Vin+Vos。那么輸出就是Vo=(1+R1/R2)*(Vin+Vos)。

如果Vos=0，那么Vo=(1+R1/R2)*Vin，這是我們常見的同相放大電路輸出公式。如果Vos≠0，那么就相當(dāng)于在原來的基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)電壓:(1+R1/R2)*Vos，這個(gè)電壓就是Vos對(duì)輸出端的影響。

可以看到，同相放大電路的放大倍數(shù)是1+R1/R2，Vos也是被放大了1+R1/R2倍，等于這個(gè)電路本身的放大倍數(shù)，放大后疊加到輸出端。

再看看反相放大電路

如上圖是反相放大電路，若運(yùn)放本身的失調(diào)電壓是Vos，那么圖中理想運(yùn)放的同相輸入端電壓就是Vos，根據(jù)運(yùn)放的虛短，反相端的電壓也就是Vos。

再根據(jù)虛斷，流過R1的電流與R2的電流相等，Ir1=(Vo-Vos)/R1,Ir2=(Vos-Vin)/R2。那么就有了這個(gè)式子:(Vo-Vos)/R1=(Vos-Vin)/R2?；?jiǎn)得到Vo=-(R1/R2)*Vin+(1+R/R2)*Vos

如果Vos=0，那么Vo=-(R1/R2)*Vin，這是我們常見的反相放大電路輸出公式，如果Vos≠0，那么就相當(dāng)于在原來的基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)電壓:(1+R1/R2)*Vos，這個(gè)電壓就是Vos對(duì)輸出端的影響。

可以看到，反相放大電路的放大倍數(shù)是-R1/R2，但是Vos是被放大了1+R1/R2倍，不等于這個(gè)電路本身的放大倍數(shù)。

總之，盡管同相和反相放大電路放大倍數(shù)公式不同，但Vos都是被放大1+R1/R2倍，疊加到輸出端。

以上是理論的一個(gè)分析，下面來看看仿真的情況，加深理解

失調(diào)電壓Vos仿真

先從TI官網(wǎng)下載LM2904的spice文件，然后創(chuàng)建模型，使用LTspice仿真。

構(gòu)建同相放大器電路如下：

輸入電壓為0V，如果運(yùn)放模型沒有Vos參數(shù)，或者說Vos=0，那么輸出電壓為0V，我們運(yùn)行先看看是不是這樣？

可以看到，這個(gè)器件模型是有Vos的，因?yàn)閂out都有2V電壓了。在圖示的工作條件下，Vp=0V，Vn=2.1653608mV，可以推斷Vos≈2.1653608mV（約等于，是因?yàn)檫\(yùn)放偏置電流的影響被我忽略了）。

另外，我們前面已經(jīng)推導(dǎo)過了，Vos造成的輸出電壓為：Vos*(1+R1/R2)。計(jì)算輸出Vout=1001*2.1653608mV=2.1675261608V，與上圖中電路仿真中的結(jié)果2.1657262V是完全一致的。

可以看到，Vos是可以被放大的，如果放大電路的放大倍數(shù)很大，那么在輸出端看到的誤差電壓也可能會(huì)非常大，我上面舉的例子，放大1001倍的時(shí)候，輸出端的誤差已經(jīng)到2V了，這個(gè)時(shí)候就需要關(guān)注這個(gè)參數(shù)了。

我們?cè)俳o輸入一個(gè)1mV/2Hz小信號(hào)，看看輸出情況

可以看到，輸出信號(hào)被疊加了一個(gè)2.17V的偏置電壓，可以想到，如果沒有Vos，中心電壓應(yīng)該是0V。所以說，Vos被放大了后，作為一個(gè)直流信號(hào)被疊加到輸出端

小結(jié)

本期內(nèi)容主要說了下運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓Vos，實(shí)際運(yùn)用中，我覺得主要關(guān)鍵的點(diǎn)有下面幾條：

1、Vos是可以被運(yùn)放放大，被放大后作為一個(gè)直流電壓疊加到輸出端

2、不論是同相放大電路還是反相放大電路，Vos在電路中的放大倍數(shù)都是1+R1/R2