運放塊輸出失調(diào)電壓消除,只需一個電阻(上集)
輸出失調(diào)電壓和靜態(tài)基極電流是運放塊參數(shù)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(xiàn)有的解決方案已經(jīng)不少,但本仿真僅有一個電阻,讓其缺點相克,就變成“好孩子”。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/282303.htm運放塊開環(huán)增益參數(shù)最大幾十萬的數(shù)量級,避免產(chǎn)生額外的誤差;同時壓擺率、增益帶寬積參數(shù)與輸入頻率必須匹配,避免電路實際與計算參數(shù)不一致以及工作不穩(wěn)定。默認(rèn)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(huán)增益A∝(Open-Loop Gain)
運放塊在沒有外接負(fù)反饋時的放大倍數(shù)。
**),輸入失調(diào)電壓Vos(Input Offset Voltage)
當(dāng)輸入端為0時,輸出端Uo≠0,此存在電壓稱為輸出失調(diào)電壓(Output Offset Voltage,本帖簡稱Uos),這是運放塊內(nèi)部因素造成的;Vos參數(shù)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(diào)電流Ios(Input Offset Current)也是推算出來的參數(shù),不是真實存在的物理量。
當(dāng)輸入端為0時,運放塊輸入級差分管對自身存在的靜態(tài)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(diào)電流,即Ios=|Ib1-Ib2|。
1),運放塊跟隨器Uos的消除
以下對各參數(shù)單獨測試,避免它們交叉影響。
1-1),Uos和Vos的關(guān)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(shù)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(shù)。
如右電路+輸入端接電源-0.008=-Vos,對應(yīng)輸出-0.008*G=-0.008與Uos相抵消,則輸出端Ub=0 (藍線)。
結(jié)論:**),Uos=Vos*G――――――1-1
**),在+輸入端加一個-Vos電壓,對應(yīng)輸出- Vos*G=-Uos,就抵消Uos,輸出為0。
1-2),Uos和Ibs、Ios的關(guān)系
運放塊輸入級差分管自身具有的靜態(tài)基極電流Ib1和Ib2,在外加接地電阻Ro產(chǎn)生的壓降就給輸入端加一電壓,如果電阻值合適,對應(yīng)輸出的電壓就抵消Uos。
如下電路,運放塊參數(shù)Vos=0.001,Ibs=0,Ios=1e-6,U+接地時,Uo輸出0.001v的Uos,如圖左側(cè)綠線;當(dāng)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(yīng)輸出-Vos*G=-0.001抵消Uos,則Uo=0(右側(cè)藍線)。
上述運放塊參數(shù)改為Ibs=1e-6而Ios=0,當(dāng)Ro=1K時,Ibs壓降U+=-0.001,也等于+輸入端加一個-Vos電壓,則Uo=0。
1-3),如何計算Ro電阻值
從1-2測試可知,同樣標(biāo)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(tài)基極電流不同,在+端的壓降實際上是靜態(tài)基極電流產(chǎn)生的。假設(shè)壓降是-Ib1*Ro,參數(shù)Ios是Ib1和Ib2之和的絕對值,標(biāo)稱值的一半才是Ib1電流值,所以-Ib1*Ro=-0.5Ios*Ro;而Ibs參數(shù)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(shù)據(jù),分析計算時就直接采用相關(guān)的Ios和Ibs參數(shù),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(yīng)輸出-Ro(0.5Ios+Ibs)G就可以消除Uos。整理移項得計算Ro關(guān)系式:
Ro=Vos/(0.5Ios+Ibs)――――――(1-3)
從關(guān)系式可知,分子項與分母項的數(shù)量級相差太大或太小,Ro準(zhǔn)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(shù):Vos=0.008v,Ibs=5e-6A,Ios=1e-6A,代入1-3關(guān)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(diào)幅波Ui(紅線)直接輸入,Uos沒有消除,8mv直流分量的復(fù)合信號Ua (綠線),無法辨認(rèn)調(diào)幅波分量。
而調(diào)幅波經(jīng)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)。
1-4),如果運放塊參數(shù)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(tài)基極電流。
用兩個參數(shù)一樣的運放塊接成圖a的電路,可以適用于任何參數(shù)的運放塊跟隨器消除輸出失調(diào)電壓。雖然多用一個運放塊,但是不用計算。
1-5),跟隨器反相輸入與同相輸入的結(jié)果一樣
以運放塊LM709為例,參數(shù):Vos=0.001v,Ibs=2e-7A,Ios=5e-8A,代入1-3關(guān)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(jié)果與同相輸入一樣。
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