【经验】解析运算放大器的Vos对实际电路的影响和调整方法

2021-08-29 思瑞浦
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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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