集成运放技术参数

——输入失调电压温漂dV\(_{IO}\)

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与集成运放的输入失调电流在温度变化时会产生一定的漂移相类似,其输入失调电压V\(_{IO}\),在温度波动时也会产生一定的漂移。通常,输入失调电压温漂是指在规定的工作温度范围内器件输入失调电压VIO的温度系数,即V\(_{IO}\)随温度的变化率ΔVIO/ΔT。图1所示即为对三只高增益运算放大器XFC-77实测所得的失调电压V\(_{IO}\)与环境温度T℃间的关系曲线。由图1可见,器件的VIO相对T℃的关系是一条曲线,因此集成运放的V\(_{IO}\)随温度的变化率在不同温度下并不相同,从工程应用的角度出发,“输入失调电压温漂”dVIO可以被定义为:在规定的工作温度范围内器件的输入失调电压V\(_{IO}\)相对温度T℃关系曲线的平均斜率。由图1还可以看出,即使对同一型号的集成运放,不仅其失调电压温漂的大小(即各条曲线的平均斜率)不一定相同,而且dVIOV\(_{IO}\)=ΔVIO/ΔT的符号也是可正可负的(有些器件其V\(_{IO}\)随温度增加向正方向变化,而有些器件则可能向负方向变化)。一般生产厂所给的dVIO指标均为正值,实际是指其绝对值的大小。

图1
图1 🔍原图 (474×378)

如同一般放大器的噪声电压一样,集成运放的失调及其漂移不仅使放大器的分辨率降低(当输入信号的幅度与器件的输入失调电压相近甚至更小时,放大器的输出信号中相当大一部分属于随机失调漂移因素,使放大器失去对有用信号的辨别能力),而且是应用电路中形成运算误差的主要原因。由于放大器的失调一般都可以通过适当的调零装置予以补偿,但任何调零装置都无法跟踪并补偿运算放大器的温度漂移。因此器件的失调电压温漂指标就成为评价所谓“高精度”运算放大器(或称为“低漂移”集成远放)的一项重要指标。

由于测试器件的失调电压温漂dV\(_{IO}\)要耗费大量的能源(高低温设备)与时间,因此除对低漂移运放须进行测试并分档给出指标外,其他类型的运算放大器一般都不对dVIO指标进行考核。

集成运放失调电压温漂指标的大小主要与输入级电路的形式及器件的对称程度有关。国产通用型低增益运放F001其dV\(_{IO}\)一般小于30μV/1℃,典型值约为10μ~20μV/1℃;中增益运放F003其dVIO一般小于20μV/1℃,典型值约为10℃μV/1℃;高增益运放F007的dV\(_{IO}\)一般小于20μV/1℃。而对于如图2所示的采用超β管(其β值可达1000倍以上)组成的共射——共基电路作为输入级的低漂移运放XFC-78,在-55℃~+125℃范围内其失调电压温漂指标最高档可小于1μV/1℃;而与国外第三代集成运放AD508相仿的低漂移运放XFC10,在-40℃~+85℃范围内其最高档小于2μV/1℃;另一种与AD508电路相似的低漂移运放FC72其最高档可小于0.5μV/1℃。此外,其他一些型号的低漂移远放如4E325、F031、BG312、8FC5、KD205等也基本上能达到与上述几种电路相类似的失调电压漂移指标。

图2
图2 🔍原图 (371×435)

在设计应用电路时,对于要求较高的直流放大或运算电路,应采用低漂移器件以保证精度。而对于要求不高的直放电路或交流放大以及各种非线性应用电路,则可不必对dV\(_{IO}\)指标过于苛求,甚至不用考虑漂移的影响,其原因在前述几讲中已有所阐述。

如果对漂移指标要求较高,而手头又没有低漂移器件,或从降低成本考虑不宜选用价格较高的低漂移器件时,也可以采用多联装集成运放对它的漂移予以补偿,以提高电路的工作精度。

多联装集成运放又称为复合集成运放,它是在一块基片上制作两个(或两个以上)性能基本一致,然而彼此互不相关、各有自己对应管脚的集成运算放大器。由于这种器件在基片材料、工艺条件、环境温度等各方面都比较容易达到一致,因而它们的输入失调电压V\(_{IO}\)及其漂移dVIO等指标虽然均远较低漂移器件为大,但一个管芯上相邻两运放的V\(_{IO}\)及dVIO却能作到基本一致,即有V\(_{IO1}\)≈VIO2、dV\(_{IO1}\)≈dVIO2,这样即可利用它们指标相近的特点互相予以补偿,以获得失调电压及其漂移较低的电路。这种失调补偿的原理可以用图3来说明,图中虚线框内即为一个复合集成运放A\(_{1}\)2,我们设A\(_{1}\)2的输入失调电压分别为V\(_{IO1}\)和VIO2,并分别用一个电池等效,这样,A\(_{1}\)2就可以看成是理想集成运放(即输入失调电压为0)。由于A\(_{1}\)接成电压跟随器,因此VIO1也必然以同样的大小和极性反映到A\(_{1}\)的输出端,也就是运放A2的反相输入端。因有V\(_{IO1}\)≈VIO2,所以V\(_{IO1}\)和VIO2在运放A\(_{2}\)两个输入端上的影响可以互相抵消。这时从图3所示“等效”运放输入端IN+和IN\(_{-}\)看进去的失调电压VIO=V\(_{IO2}\)-VIO1。因有V\(_{IO1}\)≈VIO2、dV\(_{IO1}\)≈dVIO2,则等效运算放大器的失调电压及其漂移将因互相抵消而大为减小,这样就组合成一个失调及漂移较小的“低漂移”器件,这时IN\(_{+}\)脚为等效运放的同相输入端,IN-脚为反相输入端,而运放A\(_{2}\)的输出即作为等效运放的输出端使用。(张国华)

图3
图3 🔍原图 (490×426)