如今，我們經常可以找到典型失調電壓相對于系統要求非常低的運算放大器。如果這些運算放大器中的一個符合項目預算，那么在設計過程中我們幾乎不需要考慮失調電壓。

但有時，運算放大器操作的這種非理想方面會以明顯的方式影響電路的性能。我在本文中的目的是提出一種通過 SPICE 仿真分析失調電壓影響的方法。

我將用作示例的電路是我在前三篇文章中探索過的精密電流泵。下圖提供了該電路的原理圖和理論上的輸入輸出關系。

精密電流泵示意圖。圖片由Analog Devices提供

什么是輸入失調電壓？

運算放大器內部不可避免的組件不匹配會導致 0 V 差分輸入產生非零正或負輸出電壓。輸入失調電壓是必須施加到輸入端子之一的電壓，以補償不匹配，從而實現 0 V 輸入的 0 V 輸出。

偏移電壓是有問題的，因為它會導致運算放大器偏離產生更好結果和更用戶友好的理想模型。此外，無法高精度預測這種偏差的嚴重程度：數據表只能使用單個數字來描述失調電壓，前提是它指的是典型或失調電壓。

要更全面地了解失調電壓行為，您需要查看表征大量器件（具有相同部件號）時獲得的分布。

在上一篇關于使用容差和溫度模擬電流泵性能的文章中，我使用 AD8606 運算放大器進行電流泵模擬。AD8606 數據表提供了下圖，以幫助我們了解該部件編號的失調電壓值分布：

繪圖取自 AD8606 數據表。圖片由Analog Devices提供

分布的形狀類似于正態（又名高斯）分布的形狀，這并不奇怪，因為當測量值受多個隨機變化的參數影響時，我們期望正態分布。

建模輸入失調電壓

如果我們想將偏移電壓納入我們的電路分析，我們添加一個與運算放大器的正輸入端或負輸入端串聯的直流電壓源。結果是一個看起來像這樣的電路模型：

橙色運算放大器是一個理想的運算放大器，或者至少是一個沒有偏移電壓的運算放大器。紅色運算放大器代表我們通過將理想運算放大器與直流電壓源相結合而創建的“更真實”的運算放大器。

電壓源的值通常是典型失調電壓或失調電壓——如果您必須選擇一個值的話。在 SPICE 仿真中，我們可以選擇許多不同的值。

模擬失調電壓的影響

在之前的文章中，我們使用 LTspice 的蒙特卡羅（縮寫為mc）函數來產生與電阻器容差相對應的電阻值變化。然而， mc函數根據均勻分布生成隨機數。我們想要具有正態分布的隨機數，因此我們將改用高斯函數。這是電路：

我在這里的目的是僅分析偏移電壓的影響。所有電阻都設置為無公差的標稱值，運算放大器是 LTspice 的理想單極運算放大器，而不是對應于實際組件的宏模型。

我希望失調電壓反映我們在真實運算放大器中可能看到的變化，并且由于我在之前的仿真中使用了 AD8606，所以我決定根據 AD8606 的失調電壓特性來設計此仿真。換句話說，我試圖近似我們在本文前面看到的直方圖所傳達的失調電壓分布。

AD8606 數據表給出了 20 μV 作為典型的失調電壓值，因此我將其用作表示失調電壓的電源的標稱值。傳遞給高斯函數的參數是隨機生成的數字的標準差。因此，我的失調電壓值定義為 {20μ + gauss（50μ）}，表示均值為 20 μV、標準差為 50 μV 的高斯分布。

正如我們將在下一篇文章中看到的那樣，這種均值和標準差的組合產生的分布與 AD8606 的直方圖相當一致。這種相同的技術可用于近似具有近似正態分布的失調電壓值的任何運算放大器部件號的失調電壓規格——您只需根據需要更改平均值和/或標準偏差。