運算放大器的穩態誤差分析

嚴剛峰

(1.成都大學 電子信息工程學院，四川 成都 610106;2.四川大學 計算機學院，四川 成都 610065)

0 引 言

運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.作為電子領域中最基本的器件之一，運算放大器廣泛應用于儀器儀表放大器、濾波器、電壓/電流轉換、電流/電壓轉換、模擬計算機等電子設備場合［1－5］.由運算放大器為核心的各種實際電路中，常常都把運算放大器作為理想器件，進行應用電路的設計和分析，這固然為設計過程帶來了很多便利，但實際上，性能最好的運算放大器也只能接近理想器件，這就難免產生運算誤差，使得設計出的運算放大電路運算精度不高，影響了電子產品質量的提高［6］.本研究采用節點電位分析法，通過反相放大電路為例，詳細介紹了運算放大電路穩態誤差的分析過程，并給出相應的補償方法.

1 運算放大器的穩態誤差分析

為了說明運算放大電路的穩態誤差分析方法，以反相放大電路為例，詳細介紹分析過程和方法.

反相放大電路如圖1 所示，用節點電位法分析輸入失調電壓Vio、輸入偏置電流IB、輸入失調電流Iio、開環直流電壓增益Kod有限而引起的運算誤差.

設運算放大器2 個輸入端的電位分別為V－、V+，建立節點A、節點V+的電流方程.

圖1 反相放大電路穩態誤差分析示意圖

節點A 的電位為，UA=V－+Vio

節點V+的電位為，V+=－RPIB2

節點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，可得該電路的穩態誤差分析如下:

1)輸入電壓Ui引起運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，在電路設計上應盡可能采用數值上較大的閉環增益(此時的取值較小)，使增益比較小，這對抑制輸入失調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)實際上很難被滿足.可把U03表達式改成，

可以如下選擇匹配電阻RP:

此時，U03為，

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

同樣，在電路設計上應盡可能采用數值上較大的閉環增益，對抑制輸入失調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引起的穩態誤差分析.

用類似的方法，分析運放差動輸入電阻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.設負載電阻為RL、匹配電阻RP滿足式(3)，此時有，

運放的共模抑制比、共模輸入電阻、輸入噪聲等其它參數所引起的穩態誤差可采用完全相同的方法進行分析.

2 反相電壓放大器及其元器件參數的選擇原則

綜合上述分析，在設計反相運算放大電路時應按如下原則選擇放大器及其元器件的參數:

1)從減小漂移誤差來考慮.

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

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電流及其漂移而引起的誤差;

④閉環增益選大，即比值RF/RN選取較大的值，以抑制輸入失調電壓、輸入失調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，還需要考慮到運算放大器的輸出能力，即，

其中，RL為運放負載，UMO、IMO分別為運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)從提高閉環增益的靜態精度來考慮.

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

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

3 結 語

本研究采用節點電位分析法，討論了反相放大電路的穩態誤差，并由此得出了在設計反相運算放大電路時選擇放大器及其元器件參數的一些原則，為提高運算放大電路運算精度提供了參考.雖然本研究僅選用反相放大電路進行了討論，但對其他類型運算放大電路的穩態誤差分析可以采用完全類似的方法.

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