來(lái)源：大話硬件

今天分享一下運(yùn)算放大器“輸入失調(diào)電壓”這個(gè)概念。

輸入失調(diào)電壓(input offset voltage)的定義有很多種說(shuō)法。比較通用是開(kāi)環(huán)定義法和跟隨器定義法。

輸入失調(diào)電壓ADI公司的定義：理想狀態(tài)下，如果運(yùn)算放大器的輸入端電壓完全相同，輸出應(yīng)為0V。實(shí)際上，還必須在輸入端施加小差分電壓，強(qiáng)制輸出達(dá)到0。該電壓稱為輸入失調(diào)電壓。輸入失調(diào)電壓可以看成是電壓源Vos，與運(yùn)算放大器的反相輸入端串聯(lián)。

輸入失調(diào)電壓TI公司的定義：必須在運(yùn)算放大器兩個(gè)輸入端子之間施加的電壓，以便在輸出端獲得零伏電壓。Vos用一個(gè)與正極輸入端子或負(fù)極輸入端子串聯(lián)的電壓源表示(這兩種方式在數(shù)學(xué)上是等效的)。

無(wú)論在正輸入端還是負(fù)輸入端，輸入失調(diào)電壓在輸出端的影響為：

輸入失調(diào)電壓《你好，放大器》中的定義：在運(yùn)放開(kāi)環(huán)使用時(shí)，加載在兩個(gè)輸入端之間的直流電壓使得放大器直流輸出電壓為 0。也可定義為當(dāng)運(yùn)放接成跟隨器且正輸入端接地時(shí)，輸出存在的非 0 電壓。

假設(shè)運(yùn)算放大器是理想的器件，理想運(yùn)算放大器放大差分輸入信號(hào);如果輸入電壓差為 0 伏(即兩個(gè)輸入電壓相同)，則輸出應(yīng)為零。如下所示：

上面這個(gè)情況是當(dāng)運(yùn)算放大器差分輸入晶體管完全匹配時(shí)，輸入為0V，輸出也為0V。但實(shí)際上，這個(gè)世界上沒(méi)有完全一樣的晶體管，哪怕是在同一個(gè)晶圓上生產(chǎn)出來(lái)，都不可能參數(shù)一模一樣。原因是制造工藝引起。

硅片制造過(guò)程中輸入級(jí)輸入對(duì)管特性無(wú)法完全一致，在封裝過(guò)程中施加在裸片上的應(yīng)力也有一定影響。這些因素導(dǎo)致流經(jīng)輸入電路的偏置電流失配，從而在運(yùn)放的輸入端子上產(chǎn)生電壓差。

所以，為了在輸入電壓為0V時(shí)，使輸出電壓要為0V，必須給實(shí)際的運(yùn)算放大器施加一個(gè)補(bǔ)償電壓，這個(gè)施加的補(bǔ)償電壓剛好讓輸出電壓為0V，這個(gè)電壓的就是輸入失調(diào)電壓。

使用Multisim軟件對(duì)一個(gè)完全對(duì)稱的輸入級(jí)進(jìn)行仿真，測(cè)到的電壓fv級(jí)別，基本上相等。

此時(shí)，將右邊的電阻增加0.000005Ω，測(cè)到兩個(gè)輸入級(jí)的電壓達(dá)到pv級(jí)別。電阻變化0.000005Ω，電壓從fV級(jí)別增加到了pV級(jí)別。這個(gè)電壓再和運(yùn)放開(kāi)環(huán)增益相乘，就得到了nV，uV甚至是mV級(jí)別的Vos。

所以，實(shí)際的運(yùn)算放大器因?yàn)檩斎爰?jí)無(wú)法完全做到匹配，導(dǎo)致無(wú)論有無(wú)輸入信號(hào)，從上電至關(guān)斷，輸入失調(diào)電壓會(huì)一直都存在。

下面從LM358內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析。

根據(jù)電流鏡的原理，IC3=IC2，如果輸入對(duì)管完全對(duì)稱，那么IC4=IC2，這樣就沒(méi)有IB流到后面，輸出就不會(huì)有電壓。但是因?yàn)檩斎雽?duì)管不是完全對(duì)稱，IC4≠I(mǎi)C3，所以I4C≠I2C，所以有IB電流到后級(jí)，輸出電壓不為0V。

所以，在理解輸入失調(diào)電壓時(shí)，不是說(shuō)運(yùn)放輸入端存在一個(gè)電壓，而是說(shuō)為了使輸出端為0V，要單獨(dú)增加一個(gè)電壓來(lái)補(bǔ)償輸入級(jí)的不對(duì)稱。

下面根據(jù)輸入失調(diào)電壓的定義，對(duì)OPA316器件進(jìn)行仿真。手冊(cè)中定義輸入失調(diào)電壓±0.5mV。

實(shí)際仿真結(jié)果和手冊(cè)中的值一致。

在正端增加Vos的電壓再仿真，輸出電壓基本為0V