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运放块输出失调电压消除,只需一个电阻

11月前浏览366

输出失调电压和静态基极电流是运放块参数中的“坏孩子”, 造成输出信号中轴偏离0轴的竖向失真,甚至饱和,制约弱信号放大电路的增益,现有的解决方案已经不少,但本仿真仅有一个电阻,让其缺点相克,就变成“好孩子”。

运放块开环增益参数最大几十万的数量级,避免产生额外的误差;同时压摆率、增益带宽积参数与输入频率必须匹配,避免电路实际与计算参数不一致以及工作不稳定。默认单位:电压=V,电路=A,电阻=Ω。

几个概念存查,可略过:

  • 运放块的开环增益A∝(Open-Loop Gain)

运放块在没有外接负反馈时的放大倍数。

  • 输入失调电压Vos(Input Offset Voltage)

当输入端为0时,输出端Uo≠0,此存在电压称为输出失调电压(Output Offset Voltage,本帖简称Uos),这是运放块内部因素造成的;Vos参数表示和量化这些因素,并非输入端真的存在此物理量。

  • 输入偏置电流Ibs(Input Bias Current) 和输入失调电流Ios(Input Offset Current)也是推算出来的参数,不是真实存在的物理量。

当输入端为0时,运放块输入级差分管对自身存在的静态基极电流Ib1和Ib2之平均值称为输入偏置电流,即Ibs=(Ib1+Ib2)/2;它们之差称为输入失调电流,即Ios=|Ib1-Ib2|。


运放块跟随器Uos的消除


以下对各参数单独测试,避免它们交叉影响。


1-1    
Uos和Vos的关系    


  • 测试HA-2540运放块跟随器

如下左电路(双电源+-15v省缺,下同),运放块+输入端接地,电压为0,测得输出端Ua=Uos=0.008 (绿线),按照放大电路输入信号幅度放大G倍等于输出信号幅度,即,Vos=Uos/G=0.008,查HA-2540参数Vos就是0.008,与测试一致。此法可以测量运放块未知的Vos参数。

如右电路+输入端接电源-0.008=-Vos,对应输出-0.008*G=-0.008与Uos相抵消,则输出端Ub=0 (蓝线)。

  • 结论

Uos=Vos*G――――――(1-1)

在+输入端加一个-Vos电压,对应输出- Vos*G=-Uos,就抵消Uos,输出为0。


1-2    
Uos和Ibs、Ios的关系    


运放块输入级差分管自身具有的静态基极电流Ib1和Ib2,在外加接地电阻Ro产生的压降就给输入端加一电压,如果电阻值合适,对应输出的电压就抵消Uos。

如下电路,运放块参数Vos=0.001,Ibs=0,Ios=1e-6,U+接地时,Uo输出0.001v的Uos,如图左侧绿线;当Ro=2K时,Ios的压降U+=-0.001 (红线),等于+输入端加一个-Vos电压,对应输出-Vos*G=-0.001抵消Uos,则Uo=0(右侧蓝线)。

上述运放块参数改为Ibs=1e-6而Ios=0,当Ro=1K时,Ibs压降U+=-0.001,也等于+输入端加一个-Vos电压,则Uo=0。


1-3    
如何计算Ro电阻值    


从1-2测试可知,同样标称电流的Ios和Ibs在同一电阻的压降不同,那是由于它们分别表示的静态基极电流不同,在+端的压降实际上是静态基极电流产生的。假设压降是-Ib1*Ro,参数Ios是Ib1和Ib2之和的绝对值,标称值的一半才是Ib1电流值,所以-Ib1*Ro=-0.5Ios*Ro;而Ibs参数是Ib1和Ib2的平均值,故-Ib1*Ro=-Ibs*Ro。由于说明书没有提供Ib1和Ib2数据,分析计算时就直接采用相关的Ios和Ibs参数,不必去推算出Ib1和Ib2。

Ios和Ibs在+端压降之和为-0.5Ro*Ios+(-Ro*Ibs),如果等于-Vos,即-Ro(0.5Ios+Ibs)=-Vos,对应输出-Ro(0.5Ios+Ibs)G就可以消除Uos。整理移项得计算Ro关系式:

Ro=Vos/(0.5Ios+Ibs)――――――(1-3)

从关系式可知,分子项与分母项的数量级相差太大或太小,Ro准确取值难度就大,影响Uos消除精度。

以HA-2540运放块为例仿真验证,

HA-2540参数:Vos=0.008v,Ibs=5e-6A,Ios=1e-6A,代入1-3关系式,

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

如果8uv的弱调幅波Ui(红线)直接输入,Uos没有消除,8mv直流分量的复合信号Ua (绿线),无法辨认调幅波分量。

而调幅波经Ro输入(效果与接地一样),消除了Uos,输出1:1的波形Ub(蓝线)与Ui的中轴重叠(波形图故意错开,才能看清)。

1-4    
若运放块参数值...    


如果运放块参数Ios=Ibs=0,在Ro无压降。1-3式中分母=0无意义,公式不适用。实际上运放块总是有静态基极电流。

用两个参数一样的运放块接成图a的电路,可以适用于任何参数的运放块跟随器消除输出失调电压。虽然多用一个运放块,但是不用计算。

1-5    
反向输入与同相输入    


跟随器反相输入与同相输入的结果一样

以运放块LM709为例,参数:Vos=0.001v,Ibs=2e-7A,Ios=5e-8A,代入1-3关系式计算的Ro,

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

搭建电路如下,其结果与同相输入一样。

本文转自:电子产品世界

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来源:8号线攻城狮
电源电路电磁兼容电子
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首次发布时间:2023-06-14
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8号线攻城狮
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