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  • 運放塊輸出失調電壓消除,只需一個電阻解決
    • 發布時間:2021-05-22 13:16:00
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    運放塊輸出失調電壓消除,只需一個電阻解決
    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,讓其缺點相克,就變成“好孩子”。
    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,并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|。
    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的關系
    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倍等于輸出信號幅度,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。
    運放塊輸出失調電壓消除
    1-2
    Uos和Ibs、Ios的關系
    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),等于+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,也等于+輸入端加一個-Vos電壓,則Uo=0。
    運放塊輸出失調電壓消除
    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,那是由于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。由于說明書沒有提供Ib1和Ib2數據,分析計算時就直接采用相關的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),如果等于-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關系式:
    Ro=Vos/(0.5Ios+Ibs)――――――(1-3)
    從關系式可知,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關系式,
    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直流分量的復合信號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)。
    運放塊輸出失調電壓消除
    1-4
    若運放塊參數值...
    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,可以適用于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。
    運放塊輸出失調電壓消除
    1-5
    反向輸入與同相輸入
    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關系式計算的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。
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