概述
总结运算放大器的输入失调电压和输入偏置电流基本理论，并进行仿真验证。
理论部分主要参考《你好，放大器初识篇》。
文章目录
- 概述
- 一、输入失调电压（Offset Voltage，Vos）
- 二、失调电压漂移（Offset Voltage Drift)
- 三、输入失调电流（Input offset current，Ios）
- 四、输入偏置电流（Input bias current，IB）
- 五、仿真验证
一、输入失调电压（Offset Voltage，Vos）
定义：在运放开环使用时，加载在两个输入端之间的直流电压使得放大器直流输出电压为 0。也可定义为当运放接成跟随器且正输入端接地时，输出存在的非 0 电压。
优劣范围：1μV 以下，属于极优秀的。100μV 以下的属于较好的。最大的有几十mV。
理解：任何一个放大器，无论开环连接或者反馈连接，当两个输入端都接地时，理论上输出应该为 0，但运放内部两输入支路无法做到完全平衡，导致输出永远不会是 0。此时保持放大器负输入端不变，而在正输入端施加一个可调的直流电压，调节它直到输出直流电压变为 0V，此时正输入端施加的电压的负值即为输入失调电压，用 VOS 表示。但是，多数情况下，输入失调电压不分正负，生产厂家会以绝对值表示。
任何一个实际运放都可理解为正端内部串联了一个 VOS，然后进入一个理想运放。如左图，正端引入一个-VOS，则输出为 0，符合标准定义。如右图，跟随器正端接地，实际输出即为 VOS，也符合标准定义。
后果：当一个放大器被设计成 AF 倍闭环电压增益（同相输入放大增益，也称噪声增益）时，如果放大器的失调电压为 VOS，则放大电路 0 输入时，输出存在一个等于 AF×VOS的直流电平，此输出被称为输出失调电压。闭环增益越大，则输出失调电压也越大。
对策：如果被测信号包含直流量且你关心这个直流量，就必须选择 Vos 远小于被测直流量的放大器，或者通过运放的调零措施消除这个影响。如果你仅关心被测信号中的交变成分，你可以在输入端和输出端增加交流耦合电路，将其消除。
调零方法：有些运放有两个调零端，按照数据手册提供的方法接电位器调零即可。对没有调零端的运放，可采用外部的输出调零或者输入调零，有标准电路可以参考。
二、失调电压漂移（Offset Voltage Drift)
定义：当温度变化、时间持续、供电电压等自变量变化时，输入失调电压会发生变化。输入失调电压随自变量变化的比值，称为失调电压漂移。
因此，有三种漂移量存在：
1）输入失调电压变化相对于温度变化的比值。是指定温度范围内的平均值，以 μV/°C为单位，用符号 ΔVos/ΔT 或者 dVos/dT 表示。
2）相对于时间的比值，以 μV/MO 为单位，含义是每月变化多少微伏。没有明确的符号，通常用文字表示。
3）相对于电源电压变化的比值，以 μV/V 为单位，含义是调好的放大器，当电源电压发生 1V 变化，会引起失调电压的变化。没有明确的符号，常用文字表示。此数值在很多放大器数据手册中没有体现。
优劣范围：0.002μV/°C 到几十 μV/°C。
后果：很严重。因为它不能被调零端调零，即便调零完成，它还会带来新的失调。在高精度、高稳定性要求的场合，选择漂移系数较小的放大器，比失调电压大小更为重要。
对策：第一，就是选择高稳定性，也就是上述漂移系数较小的运放。第二，有些运放具有自归零技术，它能不断地测量失调并在处理信号过程中把当前失调电压减掉。这就可以抑制温度变化、时间流逝、电源电压变化引起的新的失调。这很好。但是这种运放内部都有高频的切换动作，会产生该频率噪声，使用时应该注意。
三、输入失调电流（Input offset current，Ios）
定义：当输出维持在规定的电平时，两个输入端流进电流的差值。
优劣范围：20fA~100μA。数量级相差巨大，这取决于运放输入端结构，FET 输入的会很小。
理解：需要注意的是，这是数值的大小一般与该芯片的偏置电流相当。这很像一个班级的考试分数，平均大于 70 分，最大值与最小值差值大约也是 70 分（100 分-30 分）。我们很少见到奇怪的现象：偏置电流是失调电流的 10 倍，说明其一致性太好了。
后果：失调电流的存在，说明两个输入端客观存在的电流有差异。
四、输入偏置电流（Input bias current，IB）
定义：当输出维持在规定的电平时，两个输入端流进电流的平均值。
优劣范围：60fA~100μA。数量级相差巨大，这取决于运放输入端结构，FET 输入的会很小。
理解：运放的两个输入端并不是绝对高阻的，本项指标主要描述输入端流进电流的数量级。比如某个运放在接成跟随器且正输入端接地情况下，正输入端存在流进电流 1.3nA，即图中 IB1=1.3nA，负输入端存在流进电流 0.6nA，即图中 IB2=0.6nA，那么该运放的输入偏置电流 IIB 即为 0.95nA。
I I B = ( I B 1 + I B 2 ) / 2 = ( 1.3 + 0.6 ) / 2 = 0.95 n A I_{IB}=(I_{B1}+I_{B2})/2=(1.3+0.6)/2=0.95nA IIB=(IB1+IB2)/2=(1.3+0.6)/2=0.95nA
后果：第一，当用放大器接成跨阻放大测量外部微小电流时，过大的输入偏置电流会分掉被测电流，使测量失准。第二，当放大器输入端通过一个电阻接地时，这个电流将在电阻上产生不期望的输入电压。
对策：为避免输入偏置电流对放大电路的影响，最主要的措施是选择 IB 较小的放大器。
五、仿真验证
5.1 输入失调电压仿真
在LTspice搭建仿真电路，将AD8554接成跟随器电路。若为理想运放，此时输出电压应当为0V。
运行以上电路，输出电压结果如下：
约为1.9742µV。查询ADA4528-1的数据手册，关于输入失调电压的描述如下：
可知，仿真符合指标。
5.2 输入失调电流仿真
根据输入失调电流的定义，观察流入同相端与反相端的电流之差，如下图所示：
上图中，绿线代表 I + I_+ I+，即流入同相输入端的电流大小；蓝线代表 I − I_- I−，即流入反相输入端的电流大小；红线为输入失调电流，即：
I O S = ∣ I + − I − ∣ = 5 p A I_{OS}=|I_+-I_-|=5 pA IOS=∣I+−I−∣=5pA
由上图手册中给出的数据， I O S = 20 p A I_{OS}=20pA IOS=20pA，可知仿真结果满足且优于指标。
5.3 失调电压漂移仿真
接下来验证输入失调电压漂移指标。设置仿真环境温度从-40℃到+125℃，其失调电压变化情况如下图所示：
在165℃的温度范围内，输出失调电压共变化了5.4442591µV，数据手册中关于失调电压漂移说明如下：
因此最大变化为165℃×0.04µV/℃=6.6µV，仿真结果满足指标。
5.4 输入偏置电流仿真
在Multisim搭建仿真电路如下：
左图标注了运放OP07两个输入端的流入电流大小，则可计算其输入偏置电流为：
I B = ( I + + I − ) / 2 = 686 p A I_{B}=(I_++I_-)/2=686 pA IB=(I++I−)/2=686pA
对比其数据手册中的数据：IB = ±1.2nA，可知满足该指标。
右图，经过1+R1/R2的增益，输出电压为：
U O = G N ( V O S + I B 2 R 2 / / R 1 − I B 1 R 1 ) = 21 µ V U_O=G_N(V_{OS}+I_{B2}R_2//R_1-I_{B1}R_1)=21µV UO=GN(VOS+IB2R2//R1−IB1R1)=21µV
这实际上是输入失调电压和输入偏置电流经过噪声增益G贡献出的输出电压。其中 I B 1 I_{B1} IB1指运放同相输入端流入的电流， I B 2 I_{B2} IB2为反相端流入的电流。
不难看出，当输入端接地时，实际的输出与输入失调电压 VOS 有关，与输入电流 IB1、IB2 有关，与外接的电阻有关。外部电阻越大，电流引起的输出失调越明显。尽管某些运放输入偏置电流很小，只要外部电阻足够大，总能让电流项在输出失调中显现作用。
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