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用運放搭建的反相放大電路輸入為0V,輸出居然達(dá)到了2.2V,原因你能想到嗎?

Part 01 前言

上一篇文章我們分享了運算放大器的“時髦”參數(shù):軌至軌,相信大家已經(jīng)了解了軌至軌運放和普通運放的區(qū)別,上一篇文章中我們提到一句話:運算放大器的軌至軌特性對于單電源供電的運放來說比較重要。為了讓大家深入理解這句話的深刻含義,今天就介紹一個實際案例,讓你深刻明白軌至軌特性在一些應(yīng)用場景下的作用。

反相放大電路相信大家都很熟悉了,當(dāng)反相輸入端電壓為0V時,我們期望的輸出電壓也應(yīng)該是0V,但是下面這個電路反相輸入端電壓為0V時輸出電壓居然有2.2V之高,原因何在呢?

Part 02 電路分析

先簡單介紹一下反相放大電路的分析方法:運算放大器具有非常高的開環(huán)增益,因此在負(fù)反饋作用下,會形成“虛短”和“虛斷”特性:

虛短:同相輸入端和反相輸入端電位相同。因為同相輸入端接地,所以反相輸入端也是0V,稱為“虛地”。

虛斷:理想運放的輸入電流為零,即從同相輸入端和反相輸入端流入的電流非常小,可以近似為零。

基于以上特性,我們可以通過以下步驟分析電路的工作:

輸入電流Iin:由于反相輸入端為虛地(0V),輸入信號電流Iin可以表示為:

輸出電流If:由于虛斷特性,幾乎沒有電流流入運放,因此所有的Iin都流經(jīng)反饋電阻Rf。根據(jù)歐姆定律,輸出電壓Vout為:

所以問題電路圖中的運放搭建的反相放大電路的放大倍數(shù)就是-1:

Part 03 問題分析

一般我們看到放大電路輸出電壓有問題,我們最先想到的這是不是運放輸入失調(diào)電壓導(dǎo)致的呢?查閱了運放的規(guī)格書,發(fā)現(xiàn)運放自身最大輸入失調(diào)電壓也才660uV,即便考慮電源電壓,偏置電流導(dǎo)致的輸入失調(diào)電壓,總共的輸入失調(diào)電壓也基本在1mV左右,乘以電路的放大倍數(shù)也得不到2.2V的輸出啊,那原因就不是出在這了。

看到這,肯定有人會說模型有問題?芯片有問題?別慌,還有一個重要的因素我們沒考慮,那就:軌至軌,這個運放不是軌至軌運放,只是一個普通運放,何以見得呢?還是去看規(guī)格書中的VoH/VoL參數(shù):當(dāng)電源電壓±15V供電時,運放的輸出電壓典型值為+12.3V/-12.7V,和正電源軌差了2.7V,和負(fù)電源軌差了2.3V,我們搭建的反相放大電路的采用的是單電源供電,這意味著負(fù)電源軌是0V,所以當(dāng)輸入是0V時,輸出一定會比0V高,參考規(guī)格書中給出的雙電源供電時,輸出大概和負(fù)正電源軌相差2.3V,那單電源供電時,輸出大概為0V+2.3V=2.3V,這和仿真結(jié)果基本吻合。

有人會說,上面會不會只是你的猜測?如何證明呢?其實很簡單,既然我們懷疑是運放的至軌電壓引起的這個問題,那我們就把運放的負(fù)電源軌改為-3V,這樣輸入0V時,理論上輸出就不應(yīng)該存在至軌電壓的問題了,仿真試一下:

仿真波形如下,我們會發(fā)現(xiàn)此時輸出只有218uV了,這218uV就是運放是輸入失調(diào)電壓導(dǎo)致的了,所以通過上面的分析你會發(fā)現(xiàn)運放的“軌至軌”特性在單電源供電的電路中影響很大吧,特別是多級運放,下一級運放把上一級運放的2.2V一放大,那輸出會更離譜,所以運放能否軌至軌很重要,選型時一定要考慮,重視此參數(shù)?。。?/span>

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