Моделирование изменения напряжения смещения операционного усилителя
В данной статье мы создадим схему LTspice для анализа влияния непредсказуемого напряжения смещения на характеристики схемы прецизионного источника тока.
В настоящее время мы часто можем найти операционные усилители с типовым напряжением смещения, которое очень мало по сравнению с требованиями системы. Если один из этих операционных усилителей вписывается в бюджет проекта, то в процессе проектирования у нас не будет необходимости учитывать это напряжение смещения.
Однако иногда этот неидеальный аспект работы операционного усилителя может заметно повлиять на характеристики схемы. Моя цель в этой статье – представить метод анализа влияния напряжения смещения с помощью моделирования SPICE.
Схема, которую я буду использовать в качестве примера, – это прецизионный источник тока, который я исследовал в предыдущих статьях. На приведенном ниже рисунке представлена схема этого источника тока и теоретические соотношения входного и выходного сигналов.
Что такое входное напряжение смещения?
Неизбежные рассогласования компонентов внутри операционного усилителя приводят к тому, что дифференциальное входное напряжение 0 В создает ненулевое положительное или отрицательное выходное напряжение. Входное напряжение смещения – это напряжение, которое вы должны подать на один из входов, чтобы компенсировать это рассогласование и, таким образом, достичь выходного напряжения 0 В для входного напряжения 0 В.
Напряжение смещения является проблемой, потому что оно заставляет операционный усилитель отклоняться от идеализированной модели, которая дает лучшие результаты и более удобна для пользователя. Более того, серьезность этого отклонения не может быть предсказана с высокой точностью: техническое описание может описывать напряжение смещения, используя одно значение, например, типовое или максимальное напряжение смещения.
Чтобы получить более полное представление о поведении напряжения смещения, необходимо посмотреть на распределение, полученное при проверке множества устройств (одинаковой модели).
В предыдущей статье, посвященной моделированию характеристик источника тока с учетом допусков резисторов и температуры, я использовал операционный усилитель AD8606. В техническом описании AD8606 представлен следующий график, который поможет нам понять распределение значений напряжения смещения для этой модели операционного усилителя:
Форма распределения напоминает форму нормального (или гауссовского) распределения, и это неудивительно, потому что мы ожидаем нормального распределения, когда на измеренное значение влияют несколько случайно изменяющихся параметров.
Моделирование входного смещения напряжения
Если мы хотим включить напряжение смещения в анализ схемы, мы добавляем источник постоянного напряжения последовательно с положительным или отрицательным входным выводом операционного усилителя. В результате получится схема модели, которая будет выглядеть примерно так:
Оранжевый операционный усилитель – это идеальный операционный усилитель или, по крайней мере, операционный усилитель без учета напряжения смещения. Красный операционный усилитель представляет собой «более реалистичный» операционный усилитель, который мы создали, объединив идеальный операционный усилитель с источником постоянного напряжения.
Значение источника напряжения обычно будет равно типовому напряжению смещения или максимальному напряжению смещения, если вам нужно выбрать одно значение. В моделировании SPICE мы можем выбрать много разных значений.
Моделирование влияния напряжения смещения
В предыдущих статьях для получения изменений значений сопротивления, соответствующих допуску резистора мы использовали функцию LTspice Монте-Карло (сокращенно mc). Однако функция mc создает случайные числа в соответствии с равномерным распределением. Нам нужны случайные числа с нормальным распределением, поэтому мы воспользуемся функцией gauss. Ниже показана схема:
Я намерен проанализировать здесь только влияние напряжения смещения. Все резисторы настроены на свои номинальные значения без каких-либо допусков, а операционный усилитель представляет собой идеальный однополюсный операционный усилитель LTspice, а не макромодель, соответствующую реальному компоненту.
Я хочу, чтобы напряжения смещения отражали изменение, которое мы можем увидеть в реальном операционном усилителе, и, поскольку в предыдущем моделировании я использовал AD8606, я решил спроектировать это моделирование в соответствии с характеристиками напряжения смещения AD8606. Другими словами, я попытался аппроксимировать распределение напряжения смещения, представленное гистограммой, которая приведена выше.
В техническом описании AD8606 указано типовое значение напряжения смещения 20 мкВ, поэтому я использовал это значение в качестве номинального значения для источников напряжения, представляющих напряжение смещения. Аргумент, переданный функции gauss, – это стандартное отклонение случайно сгенерированных чисел. Таким образом, значения напряжения смещения определяются как {20u + gauss(50u)}, что означает гауссово распределение со средним значением 20 мкВ и стандартным отклонением 50 мкВ.
Как мы увидим в следующей статье, эта комбинация среднего значения и стандартного отклонения приводит к распределению, которое в достаточной мере согласуется с гистограммой, приведенной для AD8606. Этот же метод можно использовать для аппроксимации спецификаций напряжения смещения для любой модели операционного усилителя, который имеет приблизительно нормальное распределение значений напряжения смещения – вы просто по мере необходимости меняете среднее значение и/или стандартное отклонение.
Заключение
Мы подготовили схему LTspice, которая позволит нам предсказать влияние напряжения смещения на точность схемы источника стабилизированного тока. В следующей статье мы продолжим это обсуждение и рассмотрим некоторые результаты моделирования.
Связанная информация
- Практические аспекты ОУ. Напряжение смещения, ток смещения, дрейф
- Как разработать прецизионный источник тока на операционных усилителях
- Анализ характеристик прецизионного источника тока в LTspice
- Моделирование источника тока при погрешностях сопротивлений резисторов и изменяющейся температуре
- Влияние напряжения смещения на точность источника тока