运放反向输入端加调零电路的疑问

2万 · 2014-8-4 16:38

路过打酱油。。发表于 2014-8-4 15:36
前面给了个“看图识字”，估计各位都认识那几个“字”（Vos和Ib）了。

至于这几个“字”是否存在，那要看 ...

如果我没猜错的话，许多人不知道Vos是如何实测的，只是死记硬背资料上一些东西。

如果谁不信，你让HWM(酱油)把实际操作步骤叙述一遍就知道了，就用他贴的这个原理图，只叙述必要关键步骤。

2万 · 2014-8-4 16:51

他贴的这个图，暴露了不知如何实测Vos，只是看了下tyw那本电子书，就胸有成竹了？太假了！

只看该作者 · 2014-8-4 19:08

xukun977 发表于 2014-8-4 16:51
他贴的这个图，暴露了不知如何实测Vos，只是看了下tyw那本电子书，就胸有成竹了？太假了！

...

搞电子的有一说一有二说二，反反复复兜圈子装神弄鬼干什么。你知道实测Vos就说说怎么测，不知道就闭嘴。

只看该作者 · 2014-8-4 20:12

135楼的“射随器”是笔误吧？我在139楼也跟着笔误了，应该是“跟随器”，就像140楼图的下标写的那样。
不过，这个图画的不是跟随器，是与我在113楼贴的图是一样的。

我认为的跟随器法测Vos，就是121楼的图，也是xukun在64楼提到的最简单的测试Vos方法，不是自行外加的测试源，重新贴一下并再次描述：

此种测量Vos的方法原理：Vos主要从输入级产生，经放大达到输出端，再通过负反馈回到输入，自动补偿了Vos。由于Vo不是严格的0，因此会引入一个微小的误差，同时由于运放的增益G也不是无限，根据负反馈理论，实测值Vo与Vos之比为G/(1+G*1)，由于G比较大，因此实测值Vo与Vos非常接近。

1万 · 2014-8-4 20:37

140楼图是145楼图的等效原理！
能够一眼看出这个等效关系，道行非同小可
看到140楼图，能很快明白的，其模电悟性极强
说到家了还不能理解，那就令人遣憾了

2万 · 2014-8-4 21:27

退一万步，就假设Vos由输入差分对产生的，其他地方都是理想的，简单计算下:
假设Ic的不平衡分量为△Ic，负载RL的不平衡分量为△RL，那么仅仅由不平衡分量产生的输出为Vo=△IcRL+Ic△RL，然后除以差模电压增益gmRL，立马可得Vos=VT(△Ic/Ic+△RL/RL)。

据此可以看出，Vos仅仅是数学等价而已，无法证明其是客观存在的。

只看该作者 · 2014-8-4 21:47

我们以前叫压随器，还真不知道现在标准称呼是什么。

只看该作者 · 2014-8-4 21:54

认识Vos客观存在的意义
来本论坛者，有搞理论的，但大部分还是做工程的，或者是模拟电路设计者、制作者、使用者。因此，此楼就像139楼答应的那样，粗浅的谈一下Vos客观存在的现实意义。

什么叫“运放Vos的客观存在”？
稳定工作的运放，其正输入和负输入之间，存在一个可测电压，其值等于Vos。
什么叫“稳定工作”？包括但不限于：必须加电，不能饱和，共模输入电压不能超限，不能处于100个大气压下，不能正在放大一个频率和幅度都很高的信号。
有人会问：你这个Vos可与Vos的定义相差很远。其实不远，是有差异，因此严格说这个电压值是近似等于Vos，不过相差不多，工程上可以认为相等，我可以另开贴详细说明。
更有人会问：你怎么知道Vos客观存在？我认为Vos客观不存在，那你说这些不是毫无意义了吗？没关系，如果需要我还会加以详细解释。这里是技术论坛，我相信技术问题总会有结果。即便暂时没有结果，那就继续讨论。

就先让我说说意义，可能有很多，我暂时想出了以下5点：

1，运放的设计
运放设计者可能不多，需要很多专门的理论知识，我当然是外行，不过试图说明一下Vos客观性的意义。
其实有个参数独立性原则，就是尽量让运放的参数由单一要素产生。
比如让Vos尽量只与输入级有关，Ib尽量只与输入级有关，增益带宽积（GBW）尽量只与增益级的米勒电容有关，最大输出电流只与末级有关。
Vos是运放重要参数，而且主要由输入级决定，就应该在设计时尽量保证Vos只局限在输入级，而不是让后面几级的其它参数变动影响了Vos。
只有让Vos主要局限在输入级，那才好只在输入级对减少Vos下功夫。
如果让一个RTI概念就认为运放所有部分都对Vos的产生有贡献，那解决问题时就抓不住主要矛盾，甚至无从下手了。如果调节了某个参数不仅GBW变了，其它参数也改变，那就属于参数相关性大，是设计中要避免的。
一旦Vos的产生位置被主要局限在输入级，也可以集中精力解决Vos的变化问题，比如用恒流源减少供电电压变动的影响，比如用电压跟随法降低Vos对共模电压的依赖性，比如用几何对称和功率输出部分散热途径对称来减少输入对管的温差，借以减少Vos的温漂。

2，Vos的测量
Vos的测量，一贯给人以神秘、困难、专业的感觉。由于Vos很小、输入很脆弱、测量电路很复杂，甚至连很多专业人员都不了解。
不是吗？试问以前有多少人知道测量Vos的国家标准？至少xukun不知道。
我再问一个不需要回答的问题：论坛里到底有多少人亲自动手测过运放的Vos？

那么，测量Vos真的那么难吗？其实不然，测量Vos一不神秘，二很容易。只要了解了Vos就是客观存在于运放正负输入直接的电压，那不太简单了。电压在那里，用电压表直接去测就行，就这么容易。
当然，不是所有的电压表、万用表，都能直接测Vos。
说“地震可以震死人”是有条件的，不是所有的地震都死人，弱小的地震很多。
说“用表可以直接测Vos”也是有条件的，不是所有的表都可以直接测。比如运放的Vos为0.5mV，你用一个分辨只有1mV的三位半万用表就测不出来。如果运放的Vos指标只有5uV，那恐怕只有用xukun在35楼提到的7位半才能测量出来。
当然，他在那里说的挺在理，用那么精密的万用表去测量Vos，不是工程上的方法，因此才有更现实、但也比跟随器更复杂的测量Vos的电路。
不过，我自己就有7位半，是为别的目的买的，但牛刀已在手，偶尔杀条** 又有何妨？
总之，Vos测量根本就不神秘，关键在于理解Vos的客观存在性，才能方便的理解各种Vos测量电路。

3，运放筛选
筛选就是在一批参数离散性比较大的运放里面，通过测试，剔除不满足要求的，留下合适的。
筛选Vos的工作其实主要就是测量Vos，与上述2一样，只不过测量要设计的方便、快速、可靠，适合多人同时操作。
另外，筛选也是比较老的一种方法，在元件质量不太过关、人工费便宜的时代盛行，目前不提倡。

4、调试和维修
装了个系统不按期望的那样工作，或者有一个仪器设备有问题要修理，这是两个很常见的场景，而仪器设备出问题往往是工作不太正常，比如超差，怀疑有问题的对象往往是运放。为了判断运放是否性能变差或超过共模电压范围，一般要得知Vos。由于方便性的原因，不适合把运放拆下来搭个电路去测，此时就可以直接测量Vos。

5，Vos补偿
运放设计中当然让Vos越小越好，所以理想运放Vos=0。运放选用过程中，当然一般也是选Vos小的。不过，小Vos运放即所谓高精度运放，价格贵，由于成本原因或来源问题，如果找不到Vos合适的运放，或者要求非常高现有运放不满足，那就可以采用Vos补偿方法。
补偿的目的在于尽量消除已有的Vos，使得在无信号时从被测量端向运放看进去，电压为0。是的，如果存在Vos，那么从输入端看进去，电压是不为零的（假设信号源内阻不为0），这就是Vos的客观存在。只有承认Vos的客观存在，才能理解Vos补偿电路，或者设计更合适的自己的补偿电路。

本帖贴主，开始的时候不了解Vos补偿，或与Ib补偿混淆（见1楼、12楼、17楼、20楼），其实也是对Vos的客观存性不了解。
楼主在11楼提出了个问题，当时我只给出了简要回答，在此稍微详细的回答一下。
问题：请问Vos的外部补偿方法是怎样的？能否有资料参考？
回答：参见冈村的《OP放大电路设计》第35页。把图贴出来，红圈、绿圈是我加的：

先假设输入=0，同时假设Ib=0或已补偿。
如果不补偿Vos，就是绿圈处直接接地，那么红圈处的电压就是Vos（这里就涉及了Vos的客观存在性）。
这个非零电压经过运放放大Rf/Rs+1倍后，出现在输出端，产生误差。
因此，依靠左下角几个元件形成的补偿电路，在绿圈处一串联了一个与Vos大小相等、方向相反的电压，就可以补偿Vos，使得红圈处的电压为0，因此输入为0时输出也为0，达到理想运放效果。
这个补偿电压有多大呢？设+V=15V、-V=-15V，那么经R1和R2分压后，调节VR，大约得到-6.8mV到+6.8mV的电压，足以补偿大多数运放。
（不过，不要轻信“理想”，不理想的因素多去了，很多因素比如电源电压、温度、时间，都能引起补偿的不理想，所以Vos补偿要看场合）

2万 · 2014-8-4 22:28

建议这个问题不要深究了，讨论到此为止吧，因为隔行如隔山。

比如147楼评论，连常见的Vos定量计算都没弄清。
比如148楼Vos测量，目前电路仿真器世界顶级厂商CANDENCE都不能不承认，精确仿真失配失调是非常苦难的;连模电大师格雷都承认，想精确测量Vos很difficult。但ly认为统统很easy。
比如7位半表，测量Vos真实值要把杂质去掉，对于nA级电流，用7位半表很过分吗？
比如第1条运放设计，每个参数一个自由度，调节起来是容易了，但电路规模必定臃肿庞大，得不偿失。很多参数都是相互牵扯的，家常便饭。
而且Vos与输入级之间逻辑关系弄错了，输入级的噪声和失调很重要，主要是由于位置，而非设计者控制在输入级的。
。。。。。。。。

2万 · 2014-8-4 22:33

。。。。。。
先假设输入=0，同时假设Ib=0或已补偿。如果不补偿Vos，就是绿圈处直接接地，那么红圈处的电压就是Vos（这里就涉及了Vos的客观存在性）。这个非零电压经过运放放大Rf/Rs+1倍后，出现在输出端，产生误差
。。。。。。。。

看，因果关系颠倒了，没有**，哪来的蛋？

只看该作者 · 2014-8-4 23:23

xukun977 发表于 2014-8-4 22:28
建议这个问题不要深究了，讨论到此为止吧，因为隔行如隔山。

比如147楼评论，连常见的Vos定量计算都没弄 ...

深究很好。我已经说了，后面还有贴。隔行不怕，您有什么行业知识尽管说，当然保密的除外。只是不要弄那么多数学公式和推导，会冷落观众的。

可以说Vos不是计算出来的，而是本身存在的。
测量Vos easy是说在满足一定的、比较宽松的误差前提下，即精度要求不高的前提下，毕竟本论坛er大部分不是搞专业测量Vos的。专业测量Vos的当然要遵从标准，比如国标。
用7位半直接测量Vos，“杂质”没有你想象的那么大，你去实测一下试试就知道了。当然，环境不能有太多的电磁干扰，手如果脏的话不要碰表笔。
第一条运放设计，我没说一定要独立，而是作为原则尽量独立。谁说原则不能破呢？
Vos是要尽量控制在输入级。

只看该作者 · 2014-8-4 23:30

xukun977 发表于 2014-8-4 22:28
建议这个问题不要深究了，讨论到此为止吧，因为隔行如隔山。

比如147楼评论，连常见的Vos定量计算都没弄 ...

今天讨论到此为止吧，我保证8小时之内不在本贴再发表任何言论。
洗洗睡吧，不要搞到像那天那样太累太困，明天都有事情可做是吧？

1万 · 2014-8-5 07:18

@xukun977 你的思路宽跳跃大，俺自叹弗如。可这次的“客观存在性”则行成共识
@king5555 没有一个人跑题，老9老抽也基本都没扯，只不过讨论重点聚焦到“Vos的测量性”上了
@lymex 您的错误性越来越明显了
A.就失调的产生机制层面讨论，很容易接受“Vos基本上是由差分对的Vbe不平衡引起的”观点
B.就Vos概念和测量层面上讲，就没有这么稚纯了：平衡电流偏置下电压表直接测两输入压差得V+-，也无需连接反馈回路，岂不更简单更直接？
若真能证实——无论依据什么测量标准——Vos=ΔVbe，那么我就站在“客观存在”观点的正方一边
C.就失调补偿调零层面，只要外部电路适用（也不涉及宽工况），它可以傻瓜一样不管VosIosΔVbeΔhFE，令Uo=0就好

可见，我们讨论问题依聚焦层面所考虑方面也是不同滴

2万 · 2014-8-5 09:44

运放的设计，难就难在要折中考虑几十项指标，一般以一两项为主，兼顾其他。
说整个运放，话题太大，现在仅仅考虑其中一个MOS管，就能说明问题，假设管子沟长L变小，IC和ID不变，那么:
管子面积按平方L变小
VEF增大，VDSsat不变
VA变小
本征AVI变小
CGS,CGB,CGD,CDB,CSB变小
fTi变大
热噪Sv变大
1/f Sv变大
1/f SI变大
fc变大
△VGS △ID/ID变大
速度饱和效应变大
输入等效直流失调电流变大
输入等效交流噪声电流变大
。。。。

什么叫牵一发动全身？这就是。

只看该作者 · 2014-8-5 09:51

xukun977 发表于 2014-8-4 09:51
你不可能拿到！
你那手册上说的很清楚，预测失配都难了，何况失调？牵扯到热，机械等因素。

你真能扣字眼，我说的很明白了，DCmatch仿真是拿到设计的一部分，这设计部分是可控的。的确还有一部分Vos的组成是仿真得不到的，但是，这只是说仿真得不到，不是说测试得不到。搞清楚仿真和测试的区别。我在122楼的帖子没改过。
当芯片生产制造完成，所有误差都确定了，怎么测不到？仿真手册，拿仿真说测试，真行。

Vos最主要的来源是输入级，这点lymex说的没错，只是lymex有个观点值得商榷。Vos是客观存在的，但是它不是描述运放的，比较器也有，还有不能用表在运放输入端直接测到Vos。134楼中ADI那个原理图没错，但是你测不到Vos，你可以认为Vos接在负输入端，是运放的一部分，而不是在运放外面你可以直接测到。这样就意味着需要外部接一个-Vos去补偿间接测到Vos。

2万 · 2014-8-5 09:57

关于测量需要国标

这个说法太不靠谱，目前许多大公司都有自己测量方法，许多高校都开发出了自己方法，比如德而福特，人家开发出更精准的频域测量法。

好不夸张地说，倘若以国标为准，大半公司企业高校都违规了。你们抓紧报告国标委去严肃查办吧

只看该作者 · 2014-8-5 10:08

Lgz2006 发表于 2014-8-5 07:18
@xukun977 你的思路宽跳跃大，俺自叹弗如。可这次的“客观存在性”则行成共识
@king5555 没有一个人跑题， ...

A. 能接受就好。其实不接受也没关系，那个是运放内部的事情，我的论断可以不考虑，就是像以前说的那样，把运放作为“黑箱”足够。只是我看xukun在147楼弄的太复杂、太间接，因此我才给出一个直接的东西。
B. 是啊，我就是喜欢简单和直接的，我与xukun争论的焦点中，我的论断就是。证实Vos=ΔVbe要难一些，因为不同运放的输入级差异太大，需要限定的条件太多。
C. Vos补偿的作用，是让无信号输入的场合，或者0输入信号但信号源内阻比较大的时候，放大器的输入端的电压为0。不补偿这个电压就不为0，那样对有些信号源是不允许的，或产生误差。而“不补偿这个电压就不为0”这个论断就需要“Vos客观存在”作为支持。对于另一些信号源，不在乎这个电压，那可以只用楼主主贴的方法进行补偿。因此，要分场合，不能一概而让Uo=0。

至于我的“错误”，实际上我是在逐渐挖一个坑，同时也一直告诫人们离坑边远点，而149贴是实际上把坑挖的更深一些。
等下午吧，抽点时间开始回填。

只看该作者 · 2014-8-5 10:12

好吧，我只是小小的设计工程师，不懂这些国标高大上，我只能辅助我们的ATE和lab测试，你赢了。

2万 · 2014-8-5 10:14

凉凉发表于 2014-8-5 09:51
你真能扣字眼，我说的很明白了，DCmatch仿真是拿到设计的一部分，这设计部分是可控的。的确还有一部分Vos ...

把话说清，哪一部分仿真不到？

2万 · 2014-8-5 10:29

什么输，什么赢啊？这个软件我天天打交道，还能不知道这个？

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