【经验】解析运算放大器的Vos对实际电路的影响和调整方法

时间： 2021-08-29 来源：思瑞浦

技术问答

0PA的Vos（输入失调电压）主要是因OPA输入级的管子不能完全对称造成的，Vos通常是等效在0PA的同相输入端一个电压源，在实际应用中因0PA的Vos大小会带来不同的影响，思瑞浦将在本文列举几个例子来说明Vos对实际电路的影响和调整方法.

一.

Vos太大影响静态输出，导致信号动态输出范围缩小。图1所示。

图 1

一种光电信号采集应用，OPA供电是 3V，光电二极管D1没有电流时，即 Id 为 0 ， OPA输出电压 Output=Vos×（1+R2/R3)。一个约为 4.5mV Vos的OPA可以导致Output输出为图2所示大约50mV左右直流信号输出，从而减少了OPA有效信号的输出动态范围(3V-0.05V)，当二极管的电流 Id 不为 0 时, OPA 输出信号 Output=(Id×R1）×（1+R2/R3)+Vos×（1+R2/R3)。

图 2

此应用中 OPA Vos 太大影响了系统信号动态范围，需根据系统要求调整电路设计，调整方式有两种，一种是选择低 Vos 的 OPA，如低于 1mV Vos 的 OPA,可以使 Output 在静态(D1 无电流)输出电压小于 10mV，通常低 Vos 的 OPA成本高一些；另一种调整方式是，去掉 R3，使 R1+R2 的值设定在足够大，如 R1+R2=1M，此时系统的 Output=Id×（R2+R3)+Vos，绝大部分 OPA 都可用，不用太在意 OPA Vos 的大小。尽管如此，3PEAK 依靠 Trim 技术，可以大大减小 OPA 的Vos，如 LMV358A 的 Vos 只有 1mV±400uV。

二.

特定系统应用同时需要低 Vos 和低 Vos Drift 的 OPA。很多电源系统中，为了实现精确的电流调节，通常在 DC-DC 的反馈环路中增加一个 OPA，如图 3 所示。

图 3

为了实现对Current Ia的电流控制，这里假设最小电流Ia=0.05A，即R7上的压降大概是=R7×Id=1mV，即OPA的同相输入端电压是1mV。因此设计用于电源系统，产品的工作温度范围要求较宽，这里假定温度变化范围是△ T=100℃，因此就要求OPA的{Vos+（Vos Drift）×△ T}<0.5mV。

3PEAK的Zero Drift的OPA适合此类应用，如TP553x系列OPA具有10uV的Vos（MAX）和0.008uV/℃的Vos Drift，且封装丰富，适合小体积场合应用。类似很多应用如电子烟，快速充电器和Power Bank等电流检测的场合都需要低Vos和低Vos Drift的OPA。

三.

OPA需要设置合适的共模范围，使选择的OPA Vos满足系统要求。本身OPA需要设定特定共模范围满足信号处理的需要，OPA的一些特性的限制会要求使用者设定合理的共模范围，如早期的Bipolar工艺的OPA产品，输入/输出信号信号通常限制在-Vcc+2V到+Vcc-2V的范围，如图4是Bipolar标准的输入级架构。

图 4

现在很多 5V OPA 的输入和输出都是轨到轨，为了使 OPA可以做到 RRI （输入轨到轨），大部分 CMOS 的 OPA 输入架构如图 5 所示.

图 5
Datasheet 中的 Vos 值通常是指 OPA 在共模为 VCC/2 的情况下测试的数据，OPA 使用时要特别注意图 6 所示出现的情况

图 6

Vos 在共模 3V（OPA 单电源 5V 供电）以上时，因图 5 所示 P 管和 N 管工作状态有一个切换过程，可能出现 OPA的 Vos 跳变情况，因此 OPA 要设置合理的共模输入信号范围使 OPA 的 Vos 满足系统设计精度要求。

3PEAK 的大部分 CMOS OPA 都将 Vos 切换点设定在高共模位置，能够满足大部分客户使用应用时候在放大区域的线性度。

四.
选择的两种 OPA Vos 都一样，同样电路系统精度应该一样？

图 7

如图 7，输入信号一样。左边电路 Gain1=(1+R10/R9)=101，右边电路 Gain2=(1+R13/R12)=101，，Gain1=Gain2,两种电路输入信号一样 , 所以输入信号放大后的Output1=Output2。但是当两个 OPA 的 IB 差异较大时，两种电路直流精度会有比较大的差异。通常 Bipolar 的 IE在 nA 级别，CMOS 的 IB 在 pA 级别，图 7 左边电路的 OPA的 IB1 等效 Vos 带入输入的误差=R11×IB1，图 7 右边电路OPA 的 IB2 等效 Vos 带入输入的误差=R14×IB2, 假如IB1=10pA, IB2=10nA,左边的电路 IB1 带来的输入误差=1K×10pA=10nV,可忽略不计，右边的电路 IB2 带来的等效输入误差=0.1mV，相对影响较大.一些大增益的应用场合，如热电偶测量，红外温度测量等，在不考虑功耗的情况下，OPA 外围所用电阻阻值可以适当选用阻值小一点的电阻，减少 IB 带来的误差。3PEAK 的大部分 OPA 都是采用 CMOS 工艺，拥有低 IB，如TP21XX 系列 OPA 拥有低至 1fA 的 IB，适用于光电检测、热电偶等场合。

五.
Vos 在某些系统设计中是不需要考虑的参数。通常交流系统设计不需要考虑 Vos 的大小，因为交流系统一般都会做交流耦合，可以有效的滤除直流的偏差，如点钞机系统；当用户系统有直流软件矫正时也不需要考虑 OPA Vos 的大小。OPA Vos 的值通常是有正有负，是一个正态分布的参数，有时候为了适合特定场合应用，部分厂家的特定型号 OPA 的 Vos 特意设定在全为正值，如 3PEAK 的 LMV358A.

总结
Vos 是 OPA 直流性能的一个重要参数，产品的温度范围变化相对较大时，Vos Drift 会直接影响系统精度，部分系统设计需要计入其影响。使 OPA 工作在合适共模范围和外围器件的选择，对系统精度的设计也是很重要的因素。

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

选型指南 - NISSHINBO - 2023/4/27 PDF 中文下载

TPA6551/TPA6552/TPA6554 5-V, 10-MHz GBWP, Low-Noise Op Amps

型号- TPA655X FAMILY,TPA6551U-S5TR,TPA655XN SERIES,TPA6551-SC5R,TPA6551N-S6TR,TPA6551U,TPA6551-S5TR,TPA6554-TS2R,TPA655X SERIES,TPA6552-SO1R,TPA6554-SO2R,TPA655X,TPA6551,TPA6551N,TPA6552,TPA6551U-SC5R,TPA6552-VS1R,TPA6554

数据手册 - 思瑞浦 - Rev.A.0 - 2023-03-28 PDF 英文下载查看更多版本

思瑞浦（3PEAK）运算放大器选型表

思瑞浦（3PEAK）高性能运算放大器，精密运算放大器：失调电压低至5uV，温漂低至0.008uV，支持双电源供电。低噪声运算放大器：噪声系数低至0.1μVpp/Hz，适用于低噪声系统应用。超低功耗运算放大器：功耗低至300nA，轨到轨输出，适用于电池供电产品。超低功耗比较器：功耗低至300nA。负载驱动电流25mA，适用于便携式设备。

Iq per channel (Max)(μA)

GBW (Typ) (MHz)

Slew Rate(Typ)(V/μs)

Rail-Rail In