运算放大器Vos应用简谈

Posted 2022-04-05 tianqiang

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OPA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OPA的同相输入端一个电压源，在实际应用中因OPA的Vos大小会带来不同的影响。

 

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。

01

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，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）。

图1.

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=

(IdxR1)×(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×(R1+R2)+Vos，绝大部分OPA都可使用，不用太在意OPA Vos的大小。

尽管如此，3PEAK依靠先进的Trim技术，可以大大减小OPA的Vos，如LMV358A的Vos只有1mV±400uV，远远优于同类竞争对手的产品。

02

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 Id的电流控制，这里假设最小电流Id=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非常适合此类应用，如TP553x系列OPA具有10uV的Vos(MAX)和0.008uV/℃的Vos Drift，且封装丰富，非常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。

03

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，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。

图6.

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。

04

选择的两种OPA Vos都一样，同样电路系统精度应该一样？

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。

图7.

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IB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，拥有极低的IB，如TP21XX系列OPA拥有低至1fA的IB，非常适用于光电检测、热电偶等场合。

05

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。