失调电压Vos的理解和仿真实验

运放3-失调电压Vos的理解和仿真

运放IC资料涉及的参数很多，其中有一项是失调电压Vos,下面我们来思考几个问题：

1）什么是失调电压，这个电压是怎么产生的？

2）失调电压一般是uV,mV级别的，这么小的电压，在电路设计中是否需要考虑进去，怎么来考虑？

先说第一点，什么是失调电压，失调电压是怎么产生？

如上图，运放的失调电压，一般是建立上面的模型，我们将Vp,Vn对地短路，如果是理想放大器，那么输出Vo应该是0V；

真实的运放内部处理Vp和Vn的输入级可能并不是理想的，其对应的晶体管会有偏差。导致当Vp=Vn=0V时，Vo并不是0V。

要想让Vo为0V，那么必须在输入端加一个电压，这个电压就是失调电压Vos。

如上图，这是运放LM2904的框图，运放一般分为三级，第一级是输入级，对应图中的阴影部分，其输出Ib是后面两级的输入，，第二级是中间级，主要是提供放大倍数，第三级是输出级，主要是为了能改善带载能力，当然也有一定的放大能力。

先看下输入级，最下面的两个管子构成了电流镜，这个电流镜看如下：

根据电流镜，IC4=IC1，然后如果说输入级的管子完全一样的话，IN+和IN-电压又一样，那么必然有IC1=IC2，结合两式子，就有IC2=IC4，进而推出Ib=0。

Ib=0有啥特殊的?

Ib=0应该就对应运放线性区的中心点，我们回想一下运放的使用，运放工作在线性区时，是不是有"虚短"，就是IN+等于IN-，那不就对应Ib=0吗？

上面说的IN+和IN-的输入管子是一模一样的情况下，但是实际应用中，管子肯定有一定的差别的，那就导致了在IN+和IN-电压一样的时候，导致IC1和IC2不一样，而因为电流镜，IC1=IC4依然成立，这样就导致IC2≠IC4，最终导致Ib≠0。这个Ib输入到后两级电路中被放大，最终反应到out端。

如果想要输出端Vout =0,那么就要Ib = 0,这个时候的在IN+和IN-端加一个电压差，用来抵消管子差异带来的影响，正好让IC1=IC2，这个压差其实就是Vos;运放给出的Vos一般是一个范围，同一型号的运放的可能因个体不同，Vos也是不同的，如下图LM2904的不同个体之间失调电压的分布图：

电路设计时，是否要考虑这个失调电压Vos呢？

以LM2904为例，看下下图：

这个运放最大的Vos为4mV,设计时是否要考虑进去呢？设想下一个具体的情景，假如我们有一个同相放大器，放大了50倍，要求输出电压误差不超过100mV，这个运放失调电压4mV会在输出端产生200mV的误差，所以不满足要求，有一点需要注意，失调电压在输出端产生误差并不总等于放大电路本身的放大倍数，失调电压的误差怎么算？

下面继续解释失调电压对输出端误差的计算

先看下面同相放大电路

原本输入Vin，实际输入电压是Vin+Vos,那么输出就是Vout = (1+R1/R2)*(Vin+Vos)。

如果Vos=0,那么输出就是Vout = (1+R1/R2)*Vin。这就是我们常见的同相放大电路的输出公式，如果Vos≠0，那么相当于在原来的基础上

叠加了(1+R1/R2)*Vos，这个电压就是Vos对后端输出的影响，同相放大器的放大倍数是(1+R1/R2)，Vos也是被放大了(1+R1/R2)倍，放大后叠加在输出端。

再看看方向放大器

如上提是反向放大器电路，若运放本身的失调电压是Vos,那么理想运放的同相输入端Vos，根据运放的虚短，反相端的电压也就是Vos。

在根据虚断，流过R1和流过R2的电流相等，IR1=（VO-Vos）/R1;IR2=(Vos-Vin)/R2;那么有了这个式子：（VO-Vos）/R1=(Vos-Vin)/R2;化简得到:Vo=-(R1/R2)*Vin+(1+R1/R2)*Vos。

如果Vos=0;那么Vo=-(R1/R2)*Vin；如果Vos不等于0，那么久叠加了(1+R1/R2)*Vos。

总之不管是同相放大电路还是反相放大电路，Vos对输出端的影响都是(1+R1/R2)*Vos。

失调的电压Vos的仿真：

从TI官网上下载LM2904的spice文件，然后创建模型，用LTspice仿真，如下图：

输入电压为0V，如果运放模型没有Vos参数，，那么输出为0V,运行如下图：

可以看到，这个器件模型是有Vos的，因为Vout有2V多的电压，在图示的工作条件下，Vp=0V,Vn=2.1653608mV;可以推断出Vos=2.1653608mV(运放的偏置电流暂时忽略)

下面再给输入一个1mV/2HZ小信号，看看输出情况：

可以看到，输出信号被叠加了一个2.17V的偏置电压，如果没有Vos,中心电压应该是0V，但是如图看中心电压约2.1V左右，所以说Vos被放大了之后，作为一个直流信号被叠加到输出端。

总结：在实际应用中，运放的输入失调电压Vos,要注意以下几点：

1）Vos是可以被放大的，且放大之后直接作为一个直流电压叠加到输出端；

2）不论是同相放大器还是反相放大器，Vos在电路中的放大倍数都是1+R1/R2;

审核编辑 黄宇