对于一个理想的运算放大器,当两输入端都接地时,其静态输出电压应为零。但由于集成运放输入级两晶体管参数及其负载电阻总不可能完全对称,因此当输入信号为零时总存在着一定的零位输出电压,或称为输出失调电压,其大小主要反映了运算放大器输入级元件的不对称程度(对双极型晶体管主要是V\(_{BE}\)和RC,对场效应管主要是栅源电压V\(_{GS}\))。所以我们可以用输出失调电压衡量集成运放内部电路的不对称程度。但是考虑到各器件的开环增益AVd不同,同样的输入级不对称程度,在输出端所表现出的失调电压不同,开环增益大的输出失调电压大。故为更合理地描述集成运放的不对称程度,通常采用“输入失调电压”V\(_{IO}\)这个指标,它被定义为:在室温(25℃)及标称电源电压下,当输入电压为零时集成运放的输出电位VOO折合到输入端的数值,即V\(_{IO}\)=VOO/A\(_{Vd}\)Vd是开环电压放大倍数)。这就意味着,必须在输入端加上一个与其V\(_{IO}\)大小相应的差动输入电压,才能补偿运放本身不对称因素的影响使输出电压为零。
当集成运放输入端外接电阻较小时,因输入失调电流I\(_{IO}\)所引起的附加失调误差较小,失调电压及其漂移则往往是引起运算误差的主要原因之一。因此VIO的大小常成为集成运放分档的一个重要指标。
由于V\(_{IO}\)的大小主要取决于输入级差分电路的不对称程度,故器件的VIO指标与其输入级结构密切相关。在双极型晶体管电路中,输入级形式越复杂,输入级晶体管对的数目越多,其不对称程度自然越大。因此采用图1所示复合管,或称之为达林顿输入级的高增益运放如BG305、8FC21、8FC3等,以及采用图2所示共集—共基组态输入级的通用Ⅲ型运放F006、F007,低功耗运放F010、F011等电路,其主要技术指标虽比采用简单差分输入级电路的第一代低增益运放F001、F002有较大的提高,但其输入失调电压指标V\(_{IO}\)不仅没有改善,反而更大了。在国产器件中,通用型集成运放依档级高低其VIO指标一般在2mV~10mV范围,低漂移运放的V\(_{IO}\)一般小于2mV,而高速运放的VIO较大。约为5mV~15mV。对于以J型或MOS型场效应管为输入级的集成运放电路,由于工艺上的限制其对称程度更难于保证,因而目前国产高输入阻抗运放(以J型场效应管作输入级)的输入失调电压较大,如5G28、XFC6、BG313等,其V\(_{IO}\)约为10mV~50mV。最近仿照国外同类电路研制的由互补P沟道和N沟道增强型金属—氧化物—半导体管所组成的CMOS运算放大器5G14573、CH14573,其VIO指标约为10mV~50mV,而由双极型晶体管和CMOS管共容的CF3130集成运放,其V\(_{IO}\)可小于15mV。

在运算放大器线性应用电路中,虽然大多接成闭环工作,因而其输出失调电压将因强负反馈的抑制作用而比开环时大为减小,但只要存在着不为零的V\(_{IO}\),其输出端就将存在着大小约为AVf·V\(_{IO}\)的输出失调电压(AVf为电路的闭环放大倍数),这在某些应用电路中是不希望有的。为了能使集成运放在应用电路中具有趋于零的零位输出电位。大多数运放均有调零引出脚,通过外接一定阻值的调零电位器进行调零。通常调零端设置在输入级,如图3所示为BG305、8FC3等电路的调零方式。改变电位器的滑臂位置,就改变了差分电路两边的负载电阻R\(_{C}\)值,使其直流输出电位变化直至使V0为零。图4则给出若干第二代运放如F006、F007、F010等电路的调零方式,改变图示电位器滑臂位置就改变了电流源晶体管T\(_{5}\)、T6的发射极电阻,也就改变了差分电路有源负载的电流值,这就使中间级的偏置电流发生变化,并影响其输出的静态电位,从而使V\(_{0}\)趋于零。

所谓调零,严格讲并不能真正作到使输出电压V\(_{0}\)=0,这是因为它一方面要受调零电位器及测试仪表精度的限制,不易真正调到V0=0,另一方面因器件的参数及对称程度与温度有关,一旦温度发生了变化,刚调好的零位在新的环境温度下又将破坏其平衡而产生漂移。因此,对于闭环增益较高的应用场合,若要求输出零位必须很小,则需选用多圈精密电位器调零,而且还应选用低漂移器件,以减小温漂。

然而应该注意,并不是所有的运放应用电路都需要调零。如在非线性应用电路中一般就不需要调零了,而对闭环增益较低且精度要求不高的一些线性应用电路中也不一定要调零,这可根据具体情况灵活掌握。正因为如此,器件厂所生产的集成运算放大器,有些就干脆没有调零引出端,以简化封装工艺及减少管脚数目。如通用Ⅰ型中的F002其电路图与F001完全相同,只是没有调零引出管脚,通用Ⅱ型中的F005与F003的差别也是如此,此外如低功耗运放F011、单电源运放8FC7以及大多数高速运放F050、4E502、F054、4E321、F055、8FC6等电路均无调零端。如果应用上述器件而需要调零(如用高速运放作宽带线性放大)时,可采用图5所示电路,在同相端加一个附加的直流偏置电压使输出失调电压趋于零。(张国华)