運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)放的外圍電阻等比例增加一倍，運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(shí)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(yùn)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(yùn)放LM324、高阻運(yùn)放CA3140、高速運(yùn)放HA5159、低功耗運(yùn)放LF441、精密運(yùn)放OP07D、高精度運(yùn)放ICL7650等6種運(yùn)放來比較運(yùn)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(yùn)放的指標(biāo)不盡相同，這里運(yùn)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(yùn)算放大器互換手冊》，所選的集成運(yùn)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(yùn)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(yùn)放的外圍電阻等比例增加一倍，運(yùn)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(yùn)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(yùn)放或是低失調(diào)運(yùn)放。

3．1 例二，運(yùn)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(yùn)放OP07D。由于不同廠家的同種運(yùn)放的指標(biāo)不盡相同，這里運(yùn)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(yùn)算放大器互換手冊》，所選的集成運(yùn)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(dá)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(dá)到1V時造成輸入電壓增加5μV。可見，在低于10mV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(yùn)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(yùn)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(yùn)放輸入偏置電流造成的影響為：
運(yùn)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(yùn)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(yùn)放的同相端與反相端等效電阻上的電壓的差值（54.54μV）?？梢姡?dāng)運(yùn)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(yùn)放的影響較?。ㄋ妮斎肫秒娏鞅绕胀ㄟ\(yùn)放小3個數(shù)量級），而對非高阻運(yùn)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(yùn)放、高阻運(yùn)放、高速運(yùn)放、低功耗運(yùn)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(yùn)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(yùn)放能夠減小運(yùn)放輸入失調(diào)造成的誤差。
。 若不做精度要求時，選用通用運(yùn)放或是高阻運(yùn)放。
。 通用運(yùn)放或是高阻運(yùn)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(yùn)放甚至高精度運(yùn)放；
本例中沒有考慮的影響精度的因素太多，實(shí)際條件下，精度會更低。