放大器失調(diào)電壓參數(shù)的測量方法與注意事項(xiàng)

在直流耦合電路中，不可避免要對直流噪聲進(jìn)行測量與評估。放大器的失調(diào)電壓參數(shù)作為直流噪聲重要的組成部分是首先被提及的。本篇介紹一種放大器失調(diào)電壓參數(shù)的測量方式與相應(yīng)注意事項(xiàng)，配合 LTspice 仿真幫助理解，以及提供失調(diào)電壓處理方法。

1. 失調(diào)電壓測量與注意事項(xiàng)

測量微伏至毫伏范圍的輸入失調(diào)電壓，要求測試電路產(chǎn)生的誤差遠(yuǎn)低于失調(diào)電壓本身，并將輸入失調(diào)電壓處理到測量設(shè)備有效的分辨范圍。如圖 2.19，使用 ADA4077-2 組建反相放大電路，提供±15V 電源供電，將輸入端信號(hào)接地，電阻 R1 阻值為 10Ω,反饋電阻 R2 阻值為 10KΩ。同相輸入端匹配電阻 R3 為 10Ω。該電路的噪聲增益為 1001 倍。測試中使用高精度電壓表測量放大器輸出端（Vo）的電壓。最后，將輸出電壓除以電路噪聲增益，得到 ADA4077 輸入側(cè)的失調(diào)電壓。

圖 2.19 ADA4077-2 輸入失調(diào)電壓測試電路

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放大器輸入失調(diào)電壓參數(shù)實(shí)測時(shí)，需要注意如下幾點(diǎn)：

（1）供電電源要求低紋波、低噪聲，例如電池。

（2）電路的工作溫度保證在 25℃，并遠(yuǎn)離發(fā)熱源。在電路上電工作穩(wěn)定，板卡溫度沒有變化以后進(jìn)行測量。

（3）失調(diào)電壓測試誤差可能來自寄生熱電偶結(jié)點(diǎn)，這是由兩種不同金屬連接而形成的。例如,電路同相輸入端的電阻 R3，可以匹配反相輸入路徑中的熱電偶結(jié)點(diǎn)。熱電偶電壓范圍通常在 2~40μV/oC 以上,并且隨溫度明顯變化。

（4）電阻的兩個(gè)引腳焊接在相同的金屬（PCB 銅走線）會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)大小相等、極性相反的熱電電壓。在兩者溫度完全相同時(shí)，這兩個(gè)熱電電壓會(huì)相互抵消。所以，控制焊盤和 PCB 走線長度，減小溫度梯度可以提高測量精度。

使用 LTspice 對圖 2.19 電路進(jìn)行瞬態(tài)分析，結(jié)果如圖 2.20。ADA4077-2 輸出電壓為 -35.268mV。折算到輸入端的失調(diào)電壓為 -35.220μV，在 ADA4077 失調(diào)電壓范圍內(nèi)。

圖 2.20 ADA4077-2 失調(diào)電壓仿真結(jié)果

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2. 失調(diào)電壓處理方法

在輸出直流噪聲較大時(shí)，需要對電路進(jìn)行校正。早期單通道放大器具有失調(diào)電壓校準(zhǔn)的引腳。例如，很多工程師熟知的 OP07，其失調(diào)電壓調(diào)整電路如圖 2.21。使用電位計(jì)連接這項(xiàng)功能的 1 腳、8 腳，電位器的分壓處連接到電源。如果放大電路設(shè)計(jì)完善，失調(diào)調(diào)整范圍不會(huì)超過最低等級器件的最大失調(diào)電壓的兩至三倍。然而實(shí)際電路中，無法保證這些引腳沒有噪聲，或者避免使用長導(dǎo)線將該引腳連接到相距較遠(yuǎn)的電位計(jì)，這些因素增加失調(diào)電壓校正的難度。所以，該引腳功能使用不理想。在 OP07 最新一代替換產(chǎn)品 ADA4077-1 中 1，8 腳都定義為 NIC,即內(nèi)部不連接管腳。

圖 2.21 OP07 失調(diào)電壓調(diào)整電路

目前主流的失調(diào)電壓處理方法是外部方法，即使用可編程電壓實(shí)現(xiàn)失調(diào)電壓調(diào)整。例如，使用數(shù)模轉(zhuǎn)化器或者數(shù)字電位器。

如圖 2.22（a），采用反相配置的放大器電路，在反相端提供失調(diào)電壓調(diào)節(jié)電路。當(dāng) Rb 大于 R1 的 100 倍以上時(shí)，放大器的輸出失調(diào)電壓 Vos 滿足式 2-4。

圖 2.22 反相放大電路失調(diào)電壓抵消方法

如圖 2.22（b），采用反相配置的放大器電路，在同相端提供失調(diào)電壓調(diào)節(jié)電路。Ra 阻值為 Ra1 與 Ra2 之和,它等于 R1 與 R2 的等效并聯(lián)阻值。Ra2 阻值在 100Ω至 1KΩ之內(nèi), Rb 阻值是 Ra2 阻值的 100 倍以上，輸出失調(diào)電壓 Vos 滿足式 2-5。

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如圖 2.23，采用同相配置的放大電路，所使用失調(diào)電壓校正電路，應(yīng)該避免對反饋回路的增益產(chǎn)生影響。R2 阻值為 R2a 與 R2b 之和, R2b 小于 R2a 的 10%，Rb 為 R2b 的 100 倍以上，輸出失調(diào)電壓滿足式 2-6。

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圖 2.23 同相放大電路失調(diào)電壓抵消方法

綜上，失調(diào)電壓作為導(dǎo)致直流噪聲的重要因素，模擬工程師必須掌握一種測量方法。而失調(diào)電壓的校正方法，可以擴(kuò)展到對輸出直流噪聲的校正。