运算放大器相关知识总结（1）

1、 前言

最近做了一个小项目，这个项目是研发一款阻抗测量仪。这个阻抗测量仪可以测量人体在不同频率下的生物电阻抗，该设备的核心是模拟电路，技术难点是减小模拟电路噪声。该项目前前忙了2个多月，借着研发这个项目的机会把自己掌握的知识点整理汇总一下，方便日后自己查阅，同时也分享给大家，希望能给大家带来一点帮助。

本文并不要系统的详细的介绍运放，运放的相关知识模电书中都有，而且本人能力有限，并不是什么模拟电路大牛。本文是针对我在研发阻抗测量仪中遇到的问题点，关键点，并将这些点转换成运算放大电路中的一些关键参数和一些特殊用法。因此我将配合图文生动的、详细的描述这些关键点。本文的主要内容有两点：运放关键参数、运放的特殊用法。

2、 运放关键参数

本章节主要描述运放的关键参数，但是不会对运放的全部参数进行讲解，只会对项目研发有影响的关键参数进行讲解。对于文本所讲到的每一个关键参数，都会设计多个具体的示例电路进行说明，通过详细的计算说明参数对电路的具体影响，并会配信号波形图，最后还会给出通用的解决方案。希望大家能通过图例、计算、波形，能通俗易懂的掌握相关知识。
那些复杂的参数通过电路和波形图的展示，立刻变得简单易懂。希望大家像看漫画一样轻松掌握运放的相关知识。别忘了，学习是一个不断探索的过程，只有通过自己的实践和思考，才能真正掌握这些知！

运算放大器的参数众多不一一描述，本文只重点讲解7个关键参数：

1、 偏置电流、失调电流；
2、 失调电压；
3、 共模抑制比；
4、 增益带宽积；
5、 电源抑制比；
6、 输入阻抗和输入电容；
7、输入短路电流。

在这里我们将这7个参数描述成“七个葫芦娃”，今天我们要收服七个葫芦娃，不，不是那个会喷火、喷水、力大无穷的葫芦娃，而是运放的七个关键参数！别小看它们，它们可都是运放家族中的重要成员。如何收服他们呢？相信大家都听过葫芦娃救爷爷的故事，方法就是逐个击破！

3、偏置电流、失调电流及温漂

我们面对的葫芦娃大娃就是偏置电流和失调电流。
众所周知，理想运放的输入阻抗达到无穷大，使得流进运放输入端的电流为零，即其两个输入端口的电流相等且为零。但是，理想很丰满实现缺很骨感，由于工艺上的限制和元件的不完美性，运放的输入级差分对很难做到完全匹配，这会导致运放输入端产生电流。同时半导体中PN结会产生漏电流，这个漏电流也会导致运放输入端产生电流。因此实际运放的输入端口会有电流。

先看看偏置电流和失调电流的定义：

两个输入端电流的平均值定义为偏置电流（IB）
把两个输入端电流的差值定义为失调电流（Ios）。

市面上常见运放的偏置电流、失调电流的范围为：10fA~100µA，数量级相差巨大，性能越好的运放往往偏置电流、失调电流比较小。其中有的运放的两个输入级的电流方向是一致，有的运放两输入级的电流的方向是不一致的，因此这两个电流都是有正负的。
偏置电流和失调电流从名字上看是两个参数，但是根据的定义我们可以知道，这两个电流仅仅只是计算方法有差异，本质其实是一样的，都是用来描述运放两个输入级“漏电”的性能。

既然偏置电流和失调电流本质上都是反应两个输入端口的漏电情况，那么为什么要非要定义两个参数呢？我们用一个选美比赛的例子来说明。

选美比赛

假设举办了一个选美比赛，其中的关键审核指标是：美女需要一双匀称的长腿。

美女A她的左腿长120cm，右腿长116cm，因此美女A的平均腿长是118cm，而她的两条腿的长度差是4cm。
美女B，她的左腿长117cm，右腿长116cm，因此美女B的平均腿长是116.5cm，而她的两条腿的长度差是1cm。
美女C，她的左腿长105cm，右腿长105cm，因此美女B的平均腿长是105cm，而她的两条腿的长度差是0cm。

虽然美女A的平均腿长的数值最大，但是她的两条腿的长度差居然是4cm；虽然美女C两条腿长是同样长，但是她的平均腿长只有105cm；然而美女B的平均腿长为116.5cm，然后她的两腿的长度差也只有1cm，所以美女B得到更高的评分。

回到运算放大器，偏置电流Ib反应了运放两个输入级的平均电流的情况，Ib越小运放性能越好，说明运放输入级流出或流入的电流小。失调电流Ios反应了运放两个输入级的电流一致性越好。
例1：Ib+ = 4nA , Ib- = 5nA , 所以Ib = 4.5nA ，Ios = 1nA ,因此我们就可以知道这个运放的输入端平均电流为4.5nA，并且两个输入端的电流只有1nA区别。
例2：Ib+ = 4nA , Ib- = -2nA ，所以Ib = 1nA ，Ios = 6nA ,因此我们就可以知道这个运放的输入端平均电流为1nA，但是两个输入端的电流有6nA区别。

偏置电流和失调电流会带来什么影响呢？

运放流出一点“漏电流”有啥大不了的，这个“哼哈二将”对我们的电路会造成什么危害呢？我们通过几个实例电路来说明“哼哈二将”的危害。

例1：电压跟随器电路。

我们使用电压跟随器的目的主要是为了实现信号缓冲和隔离作用，因此电压跟随器的输出端电压等于输入电压。下图电路中的运放输入电压为100mV，运放输入+级有9uA的电流流出，数据计算如下：

运放输入正极电压V+ = 100mV+10K*9uA=190mV
根据“虚短”可知运放输出电压Vo = V- = V+=190mV

输入电压为100mV，但是输出电压为190MV！震惊！

例2：跨阻放大电路。

跨阻放大电路通常用于光电二极管信号放大，光电二极管接收到光照射后会产生微弱电流，电流经过电阻转换成电压（假设这个电路不存在偏置电流）。下图中光电二极管受到光照射后产生了1uA电流，经过470K电阻，计算运放输出电压：

Vo = 1uA × 470K = 470mV

假设这个电路不存在0.9uA偏置电流,而且偏置电流的方向是流入运放的方向，计算运放输出电压：

Vo = (1uA - 0.9uA ) × 470K = 47mV

输出电压变成了47mV !!

根据上面的两个例子，说明偏置电流和失调电流这个“哼哈二将”对电路的影响非常大！

如何解决偏置电流和失调电流带来的影响？

眼尖的朋友肯定会发现上述的2个示例电路，虽然现象输入电压和实际值不一致，其实是有一个固定的偏差电压，我们可以通过调零电路，或者通过软件来修正这个偏差电压。
例1电压跟随器电路中，输入电压为100mV时输出电压为190MV，但是输入电压为0mV时输出电压为90MV，因此我们增加一个调零电路减去90MV即可解决问题，或者在软件层面减去90MV。
例2跨阻放大电路中，输入电流为1uA时输出电压为47MV，但是输入电流为0uA时输出电压为-423MV，我们增加一个调零电路增加423MV即可解决问题，或者在软件层面增加423MV。
因此通过零点补偿的方法可以解决这个“漏电” 问题！

大娃的绝招

是不是通过零点补偿就解决问题了呢？故事是不是到此结束了呢？让我们来看看葫芦娃大娃绝招：变大！

变大的特点是大娃的身体根据需要变大！偏置电流和失调电流有个变大的特性：温度越高电流越大（温漂）！下图是TI公司一个运放的偏置电流的温度特性表。

从温度特性表中可以看出20℃的Ib为0.1pA，而100℃时Ib为50pA，增加了变大了500倍！前面提到通过一个调零电路或者软件增加一个固定的偏差量进行修正，但是偏置电流和失调电流的温度特性告诉我们，它们的大小不是固定，是变化的！很显然通过固定的偏差修正是不可能解决问题的。
针对温漂这个问题还有没有解决方法呢？我们常见的方法是通过软件进行温度补偿，实现原理是：测量实时温度，计算补偿值。

软件温度补偿方法

软件温度补偿的方法主要包括以下步骤：

1、建立数学模型。根据器件资料确定一个温度补偿值的数学模型，比如数学模型为

其中Y为最终得补偿值，X为温度，abc为系数（需要根据测试数据我们求出）。
当然很多情况下器件并不一致，也不符合一个特定的数学模型，此时我们可以用分段线性的方法。分段线性补偿法就是测量多个温度点的补偿值，每两个相邻的点使用线性关系计算出补偿值，下图就是一个温度线性补偿的关系曲线。

2、采集数据。将电路放到一个可控温度设备中（温循实验箱），在确定的温度范围内设置多个温度，采集不同温度下的运放电路在0输入的情况下的输出数据，并记录对应的温度值。如是我们就得到了温度和补偿值的数据表。

3、编写算法。根据数学模型，编写算法，将温度与测量结果之间的关系转换为可执行的程序代码。将算法集成到相关的应用软件中，以便在实际使用中进行温度补偿。分段线性查表代码如下：

4、测试和验证。将带有温度补偿软件的电路放入温循实验箱，通过连续切换温度对算法进行测试和验证，确保其在实际应用中的准确性和可靠性。

小结

至此，我们讲解了偏置电流和失调电流的定义，以及它们对电路造成的影响，最后我们针对它们的影响给出了解决方案。