運(yùn)放電路解析及設(shè)計(jì)

運(yùn)放電路很奇妙，一個(gè)運(yùn)放配上一個(gè)電容，一個(gè)電阻，一個(gè)積分器就完成了。

很興奮，對(duì)不對(duì)?用Tina小軟件仿一仿，調(diào)個(gè)理想運(yùn)放模型，加上電阻，加上電容，點(diǎn)擊運(yùn)行，工作良好。

把理想運(yùn)放，換成實(shí)際的運(yùn)放模型。

哦噢，積分電路歇菜了，輸出電壓直接就到供電電壓附近了。

這是為什么呢?

本質(zhì)就是現(xiàn)實(shí)總是與理想有差距啊!!!

理想是，運(yùn)放是完美的，運(yùn)放的兩個(gè)輸入是完美對(duì)稱的，但現(xiàn)實(shí)是，兩個(gè)總是有點(diǎn)偏差。

這些差別，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)放具有直流偏移(DC offsets)。

如果運(yùn)放是Bipolar運(yùn)放，也就是說(shuō)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是由雙極管構(gòu)成的，那其還會(huì)有Input Bias Current.

下面，就詳細(xì)說(shuō)說(shuō)這兩個(gè)指標(biāo)。

DC offsets

理想情況下，Vout=A0(Vin1-Vin2)，即當(dāng)Vin1-Vin2=0時(shí)，Vout=0;

但實(shí)際情況下，該直線會(huì)向上或向下偏移，即當(dāng)Vin1-Vin2=0是，Vout不為0.

也就是說(shuō)，在實(shí)際情況下，為了使得Vout=0, Vin1-Vin2必須等于某一值Vos，稱該值為失調(diào)電壓(offset voltage)。

那直流偏移是怎么產(chǎn)生的呢?

這主要還是和制作過(guò)程相關(guān)。理想運(yùn)放的同相輸入和反相輸入是完美對(duì)稱的。但實(shí)際情況下，并非如此。

即使本意上想制造出兩種一模一樣的電路，實(shí)際制造出來(lái)也會(huì)有細(xì)微差別。所以實(shí)際的運(yùn)放，兩個(gè)輸入電路不會(huì)完美對(duì)稱，存在一定的失配。真是這一失配，造成了直流偏移。

那在運(yùn)算過(guò)程中，怎么來(lái)給直流偏移建模呢?

offset voltage是隨機(jī)的，不僅值是隨機(jī)的，符號(hào)也是隨機(jī)的。

手冊(cè)上給出的offset voltage指標(biāo)是典型值，也就是說(shuō)，當(dāng)測(cè)試很多很多運(yùn)放樣本時(shí)，大多數(shù)運(yùn)放的offset voltage位于-Vos和Vos之間。

因?yàn)閂os是隨機(jī)的，所以我們可以把代表Vos值的電壓源放置在同相輸入端，也可以放置在反相輸入端。

直流偏移對(duì)實(shí)際電路的影響

同相放大器

從上圖中，可以看出，同相放大器會(huì)把輸入信號(hào)和Vos同步放大。如果電路中的DC也包含有用信號(hào)，比如說(shuō)需要測(cè)量直流電壓的值，這個(gè)Vos指標(biāo)，就會(huì)影響最終的測(cè)試結(jié)果。

反相放大器

同樣，反相放大器也會(huì)對(duì)Vos進(jìn)行放大，進(jìn)而影響直流的測(cè)試結(jié)果。

積分放大器

這邊先假設(shè)Vin=0，單獨(dú)考慮一下Vos對(duì)積分放大器的影響。

可以看到，當(dāng)t=0時(shí)，即剛開(kāi)始的時(shí)候，Vout=Vos，這是因?yàn)閯傞_(kāi)始時(shí)，電容沒(méi)有電荷，所以電容兩端就沒(méi)有電壓差，因此Vout=Vos。

隨著時(shí)間的增加，Vout也線性增加，直到到達(dá)運(yùn)放能輸出的最大電壓為止。

所以，如果不對(duì)理想積分器做處理的話，一個(gè)offset voltage就會(huì)把積分放大器搞的不能正常工作。也就是說(shuō)，積分器會(huì)對(duì)Vos進(jìn)行積分，最終達(dá)到飽和狀態(tài)，無(wú)法對(duì)正常輸入信號(hào)進(jìn)行積分。

那怎么辦呢?

其實(shí)在C1端并聯(lián)一個(gè)電阻就可以了。那這個(gè)電阻起什么作用呢?

在理想積分放大器中，通過(guò)R1的電流無(wú)處可去，所以只能對(duì)C1充電，導(dǎo)致Vout越來(lái)越大。但是在C1兩端并聯(lián)一個(gè)電阻后，電流就可以從該電阻上通過(guò)，這樣C1就不會(huì)被持續(xù)充電 ，導(dǎo)致Vout不斷增大。

雖然，上述的并聯(lián)電阻能夠阻止積分放大器由于Vos而進(jìn)入飽和狀態(tài)，但是也導(dǎo)致該積分器對(duì)輸入信號(hào)頻率有限制，太低了就只反相放大，沒(méi)有積分的作用了。

雖然頻率范圍變窄了，但是總好于啥都不能積分。

Input Bias Currents

在雙極管構(gòu)成的運(yùn)放中，輸入偏置電流會(huì)比較大;但在MOS管構(gòu)成的運(yùn)放中，則極小，基本可以不考慮。

因?yàn)殡p極管有也需要有一定大小的基極電流，所以如果使用的是雙極管運(yùn)放的話，需要給其輸入端提供一定的基極電流，要不然運(yùn)放就沒(méi)法正常工作。

那怎么對(duì)這些輸入偏置電流建模呢?

用兩個(gè)電流源來(lái)模擬輸入偏置電流。

輸入偏置電流對(duì)實(shí)際電路的影響

同相放大器

由上圖可知，由于輸入偏置電流的影響，Vout會(huì)產(chǎn)生一個(gè)直流偏移，即IB2*R2.

如果在同相輸入端，串聯(lián)一個(gè)R1和R2的并聯(lián)電路，并假設(shè)IB1=IB2，會(huì)發(fā)現(xiàn)直流偏移變?yōu)?了。

積分放大器

所以積分放大器，如果不做任何處理的話，DC offset和Input Bias currents都會(huì)使運(yùn)放進(jìn)入飽和狀態(tài)。

審核編輯：湯梓紅