深度解析运算放大器的输入失调电压

来源：大话硬件

今天分享一下运算放大器“输入失调电压”这个概念。

输入失调电压(input offset voltage)的定义有很多种说法。比较通用是开环定义法和跟随器定义法。

输入失调电压ADI公司的定义：理想状态下，如果运算放大器的输入端电压完全相同，输出应为0V。实际上，还必须在输入端施加小差分电压，强制输出达到0。该电压称为输入失调电压。输入失调电压可以看成是电压源Vos，与运算放大器的反相输入端串联。

输入失调电压TI公司的定义：必须在运算放大器两个输入端子之间施加的电压，以便在输出端获得零伏电压。Vos用一个与正极输入端子或负极输入端子串联的电压源表示(这两种方式在数学上是等效的)。

无论在正输入端还是负输入端，输入失调电压在输出端的影响为：

输入失调电压《你好，放大器》中的定义：在运放开环使用时，加载在两个输入端之间的直流电压使得放大器直流输出电压为 0。也可定义为当运放接成跟随器且正输入端接地时，输出存在的非 0 电压。

假设运算放大器是理想的器件，理想运算放大器放大差分输入信号;如果输入电压差为 0 伏(即两个输入电压相同)，则输出应为零。如下所示：

上面这个情况是当运算放大器差分输入晶体管完全匹配时，输入为0V，输出也为0V。但实际上，这个世界上没有完全一样的晶体管，哪怕是在同一个晶圆上生产出来，都不可能参数一模一样。原因是制造工艺引起。

硅片制造过程中输入级输入对管特性无法完全一致，在封装过程中施加在裸片上的应力也有一定影响。这些因素导致流经输入电路的偏置电流失配，从而在运放的输入端子上产生电压差。

所以，为了在输入电压为0V时，使输出电压要为0V，必须给实际的运算放大器施加一个补偿电压，这个施加的补偿电压刚好让输出电压为0V，这个电压的就是输入失调电压。

使用Multisim软件对一个完全对称的输入级进行仿真，测到的电压fv级别，基本上相等。

此时，将右边的电阻增加0.000005Ω，测到两个输入级的电压达到pv级别。电阻变化0.000005Ω，电压从fV级别增加到了pV级别。这个电压再和运放开环增益相乘，就得到了nV，uV甚至是mV级别的Vos。

所以，实际的运算放大器因为输入级无法完全做到匹配，导致无论有无输入信号，从上电至关断，输入失调电压会一直都存在。

下面从LM358内部结构分析。

根据电流镜的原理，IC3=IC2，如果输入对管完全对称，那么IC4=IC2，这样就没有IB流到后面，输出就不会有电压。但是因为输入对管不是完全对称，IC4≠IC3，所以I4C≠I2C，所以有IB电流到后级，输出电压不为0V。

所以，在理解输入失调电压时，不是说运放输入端存在一个电压，而是说为了使输出端为0V，要单独增加一个电压来补偿输入级的不对称。

下面根据输入失调电压的定义，对OPA316器件进行仿真。手册中定义输入失调电压±0.5mV。

实际仿真结果和手册中的值一致。

在正端增加Vos的电压再仿真，输出电压基本为0V