運(yùn)算放大器的穩(wěn)態(tài)誤差分析

嚴(yán)剛峰

(1.成都大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，四川 成都 610106;2.四川大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引 言

運(yùn)算放大器是一種直接耦合的高增益放大器，具有體積小、可靠性高、價格較低、溫度特性較好的特點(diǎn).作為電子領(lǐng)域中最基本的器件之一，運(yùn)算放大器廣泛應(yīng)用于儀器儀表放大器、濾波器、電壓/電流轉(zhuǎn)換、電流/電壓轉(zhuǎn)換、模擬計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備場合［1－5］.由運(yùn)算放大器為核心的各種實(shí)際電路中，常常都把運(yùn)算放大器作為理想器件，進(jìn)行應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)和分析，這固然為設(shè)計(jì)過程帶來了很多便利，但實(shí)際上，性能最好的運(yùn)算放大器也只能接近理想器件，這就難免產(chǎn)生運(yùn)算誤差，使得設(shè)計(jì)出的運(yùn)算放大電路運(yùn)算精度不高，影響了電子產(chǎn)品質(zhì)量的提高［6］.本研究采用節(jié)點(diǎn)電位分析法，通過反相放大電路為例，詳細(xì)介紹了運(yùn)算放大電路穩(wěn)態(tài)誤差的分析過程，并給出相應(yīng)的補(bǔ)償方法.

1 運(yùn)算放大器的穩(wěn)態(tài)誤差分析

為了說明運(yùn)算放大電路的穩(wěn)態(tài)誤差分析方法，以反相放大電路為例，詳細(xì)介紹分析過程和方法.

反相放大電路如圖1 所示，用節(jié)點(diǎn)電位法分析輸入失調(diào)電壓Vio、輸入偏置電流IB、輸入失調(diào)電流Iio、開環(huán)直流電壓增益Kod有限而引起的運(yùn)算誤差.

設(shè)運(yùn)算放大器2 個輸入端的電位分別為V－、V+，建立節(jié)點(diǎn)A、節(jié)點(diǎn)V+的電流方程.

圖1 反相放大電路穩(wěn)態(tài)誤差分析示意圖

節(jié)點(diǎn)A 的電位為，UA=V－+Vio

節(jié)點(diǎn)V+的電位為，V+=－RPIB2

節(jié)點(diǎn)A 的電流方程為，

同時有，－Kod(V－－V+)=U0

解之得，

可見，輸出電壓由3 個部分組成.式(1)可記作，

由此，可得該電路的穩(wěn)態(tài)誤差分析如下:

1)輸入電壓Ui引起運(yùn)算放大電路的輸出電壓，即，

由式(1)可知，放大器對Vio的電壓增益與對輸入信號Ui的增益比等于，

因此，在電路設(shè)計(jì)上應(yīng)盡可能采用數(shù)值上較大的閉環(huán)增益(此時的取值較小)，使增益比較小，這對抑制輸入失調(diào)電壓相對輸入電壓對輸出電壓的影響是有利的.

那么可使由輸入偏置電流引起運(yùn)放的輸出電壓U03為0，這是理想的情況.由于輸入偏置電流IB1、IB2往往是未知的，并且隨時變化，式(2)實(shí)際上很難被滿足.可把U03表達(dá)式改成，

可以如下選擇匹配電阻RP:

此時，U03為，

因此，選擇輸入失調(diào)電流Iio與輸入失調(diào)電流溫漂都小的運(yùn)算放大器，同時在信號源與運(yùn)算放大器的輸出電流許可時，在電路設(shè)計(jì)上，根據(jù)式(3)選擇匹配電阻，并盡量使電阻RF//RN+RP取值小，這是降低輸入失調(diào)電流Iio與輸入失調(diào)電流溫漂對輸出電壓影響的主要措施.

同樣，在電路設(shè)計(jì)上應(yīng)盡可能采用數(shù)值上較大的閉環(huán)增益，對抑制輸入失調(diào)電流相對輸入電壓對輸出電壓的影響是有利的.

4)差動輸入電阻Ri、輸出電阻Ro引起的穩(wěn)態(tài)誤差分析.

用類似的方法，分析運(yùn)放差動輸入電阻Ri不為無窮大、輸出電阻Ro不為0，而引起對反相電壓放大器輸出電壓值的影響.設(shè)負(fù)載電阻為RL、匹配電阻RP滿足式(3)，此時有，

運(yùn)放的共模抑制比、共模輸入電阻、輸入噪聲等其它參數(shù)所引起的穩(wěn)態(tài)誤差可采用完全相同的方法進(jìn)行分析.

2 反相電壓放大器及其元器件參數(shù)的選擇原則

綜合上述分析，在設(shè)計(jì)反相運(yùn)算放大電路時應(yīng)按如下原則選擇放大器及其元器件的參數(shù):

1)從減小漂移誤差來考慮.

①盡量選用輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流、輸入平均偏置電流及其漂移小的運(yùn)算放大器;

②選用匹配電阻RP= RF//RN，以消除由于輸入平均偏置電流及其漂移而引起的誤差;

③選用小的RN，以減小由于輸入失調(diào)電流及其漂移而引起的誤差;

④閉環(huán)增益選大，即比值RF/RN選取較大的值，以抑制輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流對輸出電壓的影響.

2)從輸入輸出匹配來考慮.

①選擇RN的大小，要與信號源相匹配.

②選擇RF時，除考慮匹配以外，還需要考慮到運(yùn)算放大器的輸出能力，即，

其中，RL為運(yùn)放負(fù)載，UMO、IMO分別為運(yùn)算放大器的最大輸出電壓和最大輸出電流.

③輸入電壓的幅度Ui不能使輸出端限幅，即，

3)從提高閉環(huán)增益的靜態(tài)精度來考慮.

①提高理想閉環(huán)增益－RF/RN的精度，即選用精度高、穩(wěn)定性好、性能一致的電阻RF、RN，通常選用的阻值宜為100 KΩ 以內(nèi)，超過1 MΩ，一般的電阻元件就很難保證阻值的穩(wěn)定性;

②盡量提高環(huán)路增益βKod，這必須與為了抑制輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流對輸出電壓的影響而選擇較大的閉環(huán)增益(此時的比值RF/RN選大、而β 較小)相折衷.

3 結(jié) 語

本研究采用節(jié)點(diǎn)電位分析法，討論了反相放大電路的穩(wěn)態(tài)誤差，并由此得出了在設(shè)計(jì)反相運(yùn)算放大電路時選擇放大器及其元器件參數(shù)的一些原則，為提高運(yùn)算放大電路運(yùn)算精度提供了參考.雖然本研究僅選用反相放大電路進(jìn)行了討論，但對其他類型運(yùn)算放大電路的穩(wěn)態(tài)誤差分析可以采用完全類似的方法.

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［2］崔文孝，陳正宏，張華.集成運(yùn)算放大器的誤差分析［J］.黑龍江電子技術(shù)，1999，11(4):40－42.

［3］查強(qiáng)中.運(yùn)算放大器誤差分析的一種簡易方法［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1982，5(1):51－63.

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［6］李春云，魏英.運(yùn)算放大器參數(shù)誤差分析及設(shè)計(jì)應(yīng)用［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012，19(8):141－142.