运算放大器输入失调电压的理解和产生原因

【模拟电路设计】输入失调电压（Input Offset Voltage，VOS）

运算放大器的Data sheet一般分为两大类：直流参数和交流参数。DC参数决定了输出与理想运算放大器匹配的精确程度。因此，运算放大器的精度取决于直流误差的大小。

我们在使用运放时，经常会看到一个参数，输入失调电压，输入失调电压 (VOS) 是运算放大器 (op amp) 规格中的常见直流参数。但是这个值是干嘛的？今天我们主要分为如下两方面进行讲解一下。

①失调电压的理解

②失调电压的产生

失调电压的理解

理想情况下，如果运算放大器的两个输入电压完全相同，则输出应为0V。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，具体见图1所示。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。输入失调电压乘以增益，表现为输出电压与理想值的偏差。当运用在传感器时，运算放大器的输入失调电压会导致传感器检测灵敏度出现误差。为了将检测误差保持在指定的容限水平以下，有必要选择具有低输入失调电压的运算放大器。

因此，可以知道对于一些要求高的产品会选择输入失调电压较小的运放，失调电压为1uV以下，属于极优秀的。100uV以下的属于较好的。

例如：当一个放大器被设计成A倍闭环电压增益时，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A*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。对我们想要的输出偏差就越大。

图1 对VOS的图解

理论来说Vout=A（VIN+-VIN-），但实际是Vout=A（VIN+-VIN-+VOS），意味着Vout会受VOS干扰。我们来看图2加深印象，可以看见实线是我们想要的输出波形，虚线为实际的输出波形，当V0S越小时，虚线越接近实线。

图 2 输出波形

02失调电压产生原因

①芯片制造工艺导致

输入失调电压的产生，主要是因为输入级对称晶体管的不匹配所导致，而这种情况在工艺上很难避免，就好比同样加工的产品尺寸总会有一定的误差，不可能完全一样，只是看你衡量的尺度，比如只精确小数点后两位时值可能一样，但是精确到小数点后十位、后百位时，就会出现差异了，这是工艺上无法避免的，所以导致任何运放都会有失调电压。

大多数运放的输入级由差分放大器组成。如图3所示，其中Q1（+或同相输入端）和Q2（-或反相输入端）可以是BJT、FET或MOS晶体管。运算放大器的输入端是这些晶体管的基极（BJT）或栅极（FET、MOS）。理想情况下，电路的每个支路都是平衡的，这样一半的电流流过每个晶体管(IQ1=IQ2=IREF/2)，并且反相和同相输入处于相同的电位。而实际中R、Q1和Q2中的不匹配会使该电流失衡，造成晶体管的基极（栅极）电压变得不相等，从而产生小的差分电压VOS。

图3 放大器输入级电路

②芯片封装工艺导致

大多数芯片封装过程不会影响失调电压。但是少数情况下封装过程会影响运放的失调电压，比如封装过程中芯片受到微小的应力影响。

③对策

常用的处理方法是在运放生产后进行测试与校准，或者在输出级使用斩波等技术改善运放的失调电压。

产品使用上直接选择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。如果我们只关心被测信号中的交变成分，直接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，一般数据手册会有讲如何进行调零，我们只需要根据要求接电位器调零即可。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。

03总结

当然上面的内容其实我们只需要了解即可，重点知道输入失调电压越小越好，但是实际使用中有时候并不需要太小的，根据实际情况进行选择即可，因为越小意味着价格越贵。

产生VOS的原因主要是由于硅芯片制造过程中输入晶体管和元件不匹配，以及封装过程中施加在芯片上的应力影响。这些影响共同导致流经输入电路的偏置电流失配，导致运算放大器输入端出现电压差。通过增加匹配、改进封装材料和工艺，可降低VOS。