原创 INA：失调电压与增益的关系

作者：Pete Semig

 

您是否对传统三运放仪表放大器的失调电压会随着增益而变化的原因感到过疑惑呢？图1引自INA333的数据表，它给出了失调电压依存于器件增益的一个实例。现在，我们简单地看一下方程是如何确定的。

 

 

图1：INA333的失调电压规格

 

 

传统的三运放仪表放大器具有两级。输入级包括了两个用于缓冲（或放大）差分输入信号的同相放大器。输出级则由一个负责把差分信号转换为单端输出的差动放大器组成。另外，它还提供了给输出增加一个基准电压的能力。图2示出了一种传统的三运放拓扑。

图 2：传统的三运放仪表放大器

 

假定G_DA和G_IS分别是与差动放大器和输入级相关的增益，(1)式为图2所示电路的一般转移函数（假设R₂=R₄和R₁=R₃）。

 

 

 

仪表放大器中的每个运放具有一个输入失调电压。与A1和A2相关联的失调电压被放大（放大倍数取决于R_F与R_G之比）。把输入失调电压模拟为与A1和A2的每个同相端相串联的电压源可得出如图3所示的输出方程。

 

图3：A1和A2的输出（采用失调电压模型）

 

研究图3中V_OA2方程的一种直观的方法是：与同相输入相串联的电源被放大的倍数为A2的同相增益。与A1的同相输入相串联的电源实质上连接至A1的反相端，它们在被A2的反相增益提升之后最终添加至 A2的输出。对A1进行相同的分析可获得用于V_OA1的方程。

 

(2) 式给出了用于V_IN-DA的方程，V_IN-DA为差动放大器的输入电压（图 4）。请注意，按照(1)式的定义，输入级失调电压被放大的倍数为输入级的增益G_IS。

 

 

 

图4示出了采用失调电压模型的输出级差动放大器。该差动放大器的增益被设定为 1 V/V，这与大多数仪表放大器是一致的。我们发现失调电压V_OS3出现在了输出方程中。它被放大了2倍，是A3的同相增益。

 

 

图4：采用失调电压模型的差动放大器

 

由于该差动放大器的增益是固定的，故而A3产生的失调不能随增益而改变。因此，我们可以如(3)式所示来表示出现在仪表放大器输出端（参考于输出，即“RTO”）上的失调电压，式中的G_IS是输入级的增益，V_{OS_IS}是输入级的净失调电压，而V_{OS_DA}为差动放大器级的失调电压。

 

 

 

虽然(3)式看起来与图1中所示的失调相同，但其实并不是。仔细看一下图1我们发现，给出的参数是“失调电压，RTI”，这意味着失调电压是参考于输入的。必须把(3)式除以该增益以使失调电压参考于输入，如(4)所示。(4)式对应于图 1。

 

 

图5是INA333的输入级和总体仪表放大器失调的曲线图（参考于输入）。请注意，当增益为1 V/V时，仪表放大器的失调简化为V_{OS_IS} + V_{OS_DA}

(25μV+75μV=100μV)。当增益增大时，失调电压接近V_{OS_IS} (25μV)。然而，当参考于输出时，则失调电压将如预期和图5中的V_{OS_RTO}所示的那样随着增益而增加。

 

 

 

总之，请记住失调电压规格是参考于输入的，而且必须乘以增益以确定其在输出端上所产生的影响，如(5)式中所示。