2.2 TI 高精度实验室 - 输入失调电压与输入偏置电流 实验

大家好

欢迎来到 TI Precision Labs

德州仪器高精度实验室

在本次课程是针对运放 Input Offset Voltage

Vos 输入失调电压

和 Input Bias Current IB

输入偏置电流的实验课程

本次实验课程将讲述计算 SPICE 仿真和实际测量

可以有效地巩固运放输入失调电压

与输入偏置电流的基本概念

本次实验课程的详细计算部分

可以通过手工运算完成

使用 MathCAD 或者 Excel 等等工具

可以大大的帮助提高效率

因为德州仪器提供了在本实验课程中

使用到的运放的通用 SPICE 模型

所以仿真练习

可以在任何的 SPICE 仿真工具中进行

然而最方便的是在 TINA-TI 中完成仿真

TINA-TI 是一个

可以在 TI 官方网站免费下载的软件

我们在这份 PPT 中也给出了 TINA 的仿真原理图

最后会在 TI 提供的印刷电路板 PCB 上

进行实际的测量

如果您能使用标准的实验室设备

您可以使用任何示波器和正负 12 伏的电源

进行必要的测量

然而我们强烈推荐使用

National Instruments VirtualBench 工具

VirtualBench 是一个多合一的

测试设备解决方案

它可以通过 USB 或者 wifi 连接电脑

并提供供电电源轨 模拟信号发生器

和示波器通道

此外还提供一个五位半的万用表

以方便进行高精度的测量

在本次实验课程中

就是使用这套虚拟仪器来进行测量的

在实验一中我们会确定 Vos 和 IB

在一个输入阻抗 RIN 等于 0 欧姆的

电路里所产生的影响

首先根据 Vos 和 IB 课程所学

计算图中所示电路

由于 Vos 和 IB 影响的预期总输出电压

注意表中的跳线位置

JMP13 和 JMP 14 是断开的

JMP15 是闭合的

JMP15 将 U5 的反相输入端短路到地

使 RIN 等于 0 欧姆

这里我们要计算两次输出电压

第一次计算是采用 OPA211 为 U5 和 U6 的运放

第二次则是采用 OPA188来计算

这些运放的不同参数会带来不同的结果

为了进行计算

您需要知道每一个运放的

Vos 和 IB 的典型值和最大值

这些值在这里给出了

在下方的表格中填入您的答案

我们在此处提供了答案

以方便您检查您的计算结果

需要注意的很重要的一点是 Vos 和 IB

可能是正的或者是负的

这意味着必须考虑所有由于 Vos 和 IB的

不同可能性而导致的可能的输出电压

首先计算 Req 等效输入阻抗

然后将 Req 乘以 IB 来确定

由 IB 所产生的输入电压

然后使用公式 Vout 等于 G1 第一级的增益

乘以 G2 第二级的增益乘以 (Vos+Vib)

来计算总输出

再一次指出这里有四种可能性

我们选出最大的值

使用参数的最大值代替典型值

然后重复相同的步骤

在下方的曲线中

展示了可能输出值的高斯分布

重复相同的步骤来计算 OPA188

根据 OPA188 的不同指标

可以得出在典型值和最大值情况下的

不同输出电压结果

下一步是运行 SPICE 仿真来分析

求得总 DC 输出电压

TINA-TI 的仿真原理图已经嵌入在文稿中

简单的双击图标即可打开

保证跳线设置的正确

在 OPA211 电路上

JMP13 和 JMP14 是断开的

JMP15 是闭合的

在 OPA188 电路中

JMP9 和 JMP10 是断开的

JMP11 是闭合的

仿真输出电压点击分析 Analysis

转到直流分析 DC Analysis

计算节点电压 Calculate nodal Voltages

对于 OPA211

您应该得到一个大约为 133.28mV 的结果

对于 OPA188 您应该得到一个大约

为 -10.73mV 的结果

确保在设置测试 pcb 之前关闭 DC 电源

在 VirtualBench 软件中点击

DC Power Supply 区域的电源按钮

以关闭电源 检查 VirtualBench单元的前面板

确保 led 是熄灭的

也要确保信号发生器是关闭的

在测试板上选择电路三和电路四

安装跳线帽和器件

在电路三中安装 JMP9 JMP11 和 JMP12

同时安装 OPA188 到 U3 和 U4 的插座上

在电路四中安装 JMP13 JMP15 和 JMP16

同时安装 OPA211 到 U5 和 U6 的插座上

本页展示了 TI 高精度实验室

电路三的完整原理图

您将使用这个电路来测量

Vos 和 IB 在 OPA188 上的效果

本页图片展示了 TI 高精度实验室电路四的完整原理图

您将使用这个电路来测量

Vos 和 IB 在 OPA211 上的效果

为了测试板的正常工作

您只能在电路三和电路四上安装跳线帽和器件

这个非常重要

在 PCB 的其他电路上不要安装任何的跳线帽和器件

将不相关电路上面的跳线帽和器件都去掉

并把它们放在测试板下方的存储区域

本张图片给出了 TI 高精度实验室测试板

和国半 VirtualBench 之间的连线图

将提供的电源线连接到 VirtualBench 的 DC 电源

和测试板上的电源连接头 J4

使用 BNC 线缆

连接测试板上的 Vout1

到 VirtualBench 示波器的通道 1

并且连接测试板上的 Vout2

到 VirtualBench 示波器的通道 2

然后给 VirtualBench 上电

使用 USB 电缆

把它连接到您的电脑

硬件会被检测为虚拟的 CD 驱动盘

您可以直接在驱动器上运行 VirtualBench 的软件

一旦软件打开

按照以下方式设置软件

设置时间刻度到一百毫秒每格

采集模式设置为自动

在示波器上打开通道 1 和通道 2

把它们设置为一被放大 直流耦合模式

按需要从 10mV 每格到 1V 每格之间

调整垂直刻度

将正 25 伏电源设置为正 12 伏 0.5 安培

将负 25 伏电源设置为负 12 伏 0.5 安培

按下电源按钮

打开供电电源轨

打开两个通道的平均测量

从而读到每个电路的输出电压

您必须同时设置 VirtualBench 示波器的模式

点击前面板所示的按钮

然后将采集设置为采样 Sample

将余晖设置为关闭

测量得到的预期输出电压在这里展示

OPA211 的测量输出电压为 74.7 毫伏

OPA188 的测量输出电压为 4.6 毫伏

在您的实验里您可能会有不同的结果

将测量与仿真结果对比手算结果会怎么样呢

请花点时间看看之前的结果 并与之相比较

实验课程的第二部分

我们会重复实验一相同的步骤

但这次输入电阻为 5k 欧姆

实验中我们会看到输入偏置电流

IB 对输出电压的影响

如原理图所示

原来将 U5 同相输入和地短接的跳线帽 JMP15

现在被移走了

现在安装上跳线帽 JMP14

是 U5 的同相输入端连接到一个 5k 欧姆的电阻

U5 的 IB 就会流过这个电阻

根据欧姆定律产生一个直流电压

增加失调电压的总量

和之前一样 使用 OPA211 和 OPA188

计算这个电路上由于 Vos 和 IB 产生的总输出电压

这里再给出两个器件手册上的参数以供参考

在下面的表格中输入您的计算结果

为了方便您检查计算的结果

我们也已经在这里给出了答案

由于 5k 欧姆的输入电阻 RIN

IB 产生的电压会受到 RIN 的影响

计算过程会稍微改变

我们使用新的公式

Vib=ibReq+ibRin

其他的计算步骤和实验一一样

我们重复这个计算过程以求得最大值

对于 OPA188 分别使用典型值和最大值

重复两套计算和之前一样

OPA188 不同的电气特性

会产生不同的输出电压计算结果

重新运行 DC 节点电压分析仿真

确保使用合适的跳线设置

在 OPA211 电路上

JMP13 和 JMP15 断开 JMP14闭合

在 OPA188 电路中

JMP9 和 JMP11 断开 JMP10闭合

在重新运行 VirtualBench 的测量之前

测试板上的跳线设置必须修改

去除跳线帽 JMP11 和 JMP15

安装跳线帽 JMP10 和 JMP14

所有其它的跳线帽和器件之前的实验保持一致

在实验二中 OPA188 测量的输出电压为 3.49mV

OPA211 测量的输出电压为 375mV

在您的实验中您可能得到不同的结果

将测量与仿真结果对比手算的结果会怎么样呢

在这个实验里 OPA211 的输出

比手算和仿真的典型值都要大

但比计算的最大值要小

OPA188 的输出小于手算和仿真的典型值

现在让我们比较两次实验的结果

输入阻抗的变化是怎样影响输出电压测量的呢

在 OPA211 中

增加输入阻抗会导致输出电压的急剧增加

然而在 OPA188 中则看不到大幅度的增加

这是因为 OPA211 比 OPA188

有更大的输入偏置电流 IB

本次实验环节到此为止

非常感谢您的观看

大家好

欢迎来到 TI Precision Labs

德州仪器高精度实验室

在本次课程是针对运放 Input Offset Voltage

Vos 输入失调电压

和 Input Bias Current IB

输入偏置电流的实验课程

本次实验课程将讲述计算 SPICE 仿真和实际测量

可以有效地巩固运放输入失调电压

与输入偏置电流的基本概念

本次实验课程的详细计算部分

可以通过手工运算完成

使用 MathCAD 或者 Excel 等等工具

可以大大的帮助提高效率

因为德州仪器提供了在本实验课程中

使用到的运放的通用 SPICE 模型

所以仿真练习

可以在任何的 SPICE 仿真工具中进行

然而最方便的是在 TINA-TI 中完成仿真

TINA-TI 是一个

可以在 TI 官方网站免费下载的软件

我们在这份 PPT 中也给出了 TINA 的仿真原理图

最后会在 TI 提供的印刷电路板 PCB 上

进行实际的测量

如果您能使用标准的实验室设备

您可以使用任何示波器和正负 12 伏的电源

进行必要的测量

然而我们强烈推荐使用

National Instruments VirtualBench 工具

VirtualBench 是一个多合一的

测试设备解决方案

它可以通过 USB 或者 wifi 连接电脑

并提供供电电源轨 模拟信号发生器

和示波器通道

此外还提供一个五位半的万用表

以方便进行高精度的测量

在本次实验课程中

就是使用这套虚拟仪器来进行测量的

在实验一中我们会确定 Vos 和 IB

在一个输入阻抗 RIN 等于 0 欧姆的

电路里所产生的影响

首先根据 Vos 和 IB 课程所学

计算图中所示电路

由于 Vos 和 IB 影响的预期总输出电压

注意表中的跳线位置

JMP13 和 JMP 14 是断开的

JMP15 是闭合的

JMP15 将 U5 的反相输入端短路到地

使 RIN 等于 0 欧姆

这里我们要计算两次输出电压

第一次计算是采用 OPA211 为 U5 和 U6 的运放

第二次则是采用 OPA188来计算

这些运放的不同参数会带来不同的结果

为了进行计算

您需要知道每一个运放的

Vos 和 IB 的典型值和最大值

这些值在这里给出了

在下方的表格中填入您的答案

我们在此处提供了答案

以方便您检查您的计算结果

需要注意的很重要的一点是 Vos 和 IB

可能是正的或者是负的

这意味着必须考虑所有由于 Vos 和 IB的

不同可能性而导致的可能的输出电压

首先计算 Req 等效输入阻抗

然后将 Req 乘以 IB 来确定

由 IB 所产生的输入电压

然后使用公式 Vout 等于 G1 第一级的增益

乘以 G2 第二级的增益乘以 (Vos+Vib)

来计算总输出

再一次指出这里有四种可能性

我们选出最大的值

使用参数的最大值代替典型值

然后重复相同的步骤

在下方的曲线中

展示了可能输出值的高斯分布

重复相同的步骤来计算 OPA188

根据 OPA188 的不同指标

可以得出在典型值和最大值情况下的

不同输出电压结果

下一步是运行 SPICE 仿真来分析

求得总 DC 输出电压

TINA-TI 的仿真原理图已经嵌入在文稿中

简单的双击图标即可打开

保证跳线设置的正确

在 OPA211 电路上

JMP13 和 JMP14 是断开的

JMP15 是闭合的

在 OPA188 电路中

JMP9 和 JMP10 是断开的

JMP11 是闭合的

仿真输出电压点击分析 Analysis

转到直流分析 DC Analysis

计算节点电压 Calculate nodal Voltages

对于 OPA211

您应该得到一个大约为 133.28mV 的结果

对于 OPA188 您应该得到一个大约

为 -10.73mV 的结果

确保在设置测试 pcb 之前关闭 DC 电源

在 VirtualBench 软件中点击

DC Power Supply 区域的电源按钮

以关闭电源 检查 VirtualBench单元的前面板

确保 led 是熄灭的

也要确保信号发生器是关闭的

在测试板上选择电路三和电路四

安装跳线帽和器件

在电路三中安装 JMP9 JMP11 和 JMP12

同时安装 OPA188 到 U3 和 U4 的插座上

在电路四中安装 JMP13 JMP15 和 JMP16

同时安装 OPA211 到 U5 和 U6 的插座上

本页展示了 TI 高精度实验室

电路三的完整原理图

您将使用这个电路来测量

Vos 和 IB 在 OPA188 上的效果

本页图片展示了 TI 高精度实验室电路四的完整原理图

您将使用这个电路来测量

Vos 和 IB 在 OPA211 上的效果

为了测试板的正常工作

您只能在电路三和电路四上安装跳线帽和器件

这个非常重要

在 PCB 的其他电路上不要安装任何的跳线帽和器件

将不相关电路上面的跳线帽和器件都去掉

并把它们放在测试板下方的存储区域

本张图片给出了 TI 高精度实验室测试板

和国半 VirtualBench 之间的连线图

将提供的电源线连接到 VirtualBench 的 DC 电源

和测试板上的电源连接头 J4

使用 BNC 线缆

连接测试板上的 Vout1

到 VirtualBench 示波器的通道 1

并且连接测试板上的 Vout2

到 VirtualBench 示波器的通道 2

然后给 VirtualBench 上电

使用 USB 电缆

把它连接到您的电脑

硬件会被检测为虚拟的 CD 驱动盘

您可以直接在驱动器上运行 VirtualBench 的软件

一旦软件打开

按照以下方式设置软件

设置时间刻度到一百毫秒每格

采集模式设置为自动

在示波器上打开通道 1 和通道 2

把它们设置为一被放大 直流耦合模式

按需要从 10mV 每格到 1V 每格之间

调整垂直刻度

将正 25 伏电源设置为正 12 伏 0.5 安培

将负 25 伏电源设置为负 12 伏 0.5 安培

按下电源按钮

打开供电电源轨

打开两个通道的平均测量

从而读到每个电路的输出电压

您必须同时设置 VirtualBench 示波器的模式

点击前面板所示的按钮

然后将采集设置为采样 Sample

将余晖设置为关闭

测量得到的预期输出电压在这里展示

OPA211 的测量输出电压为 74.7 毫伏

OPA188 的测量输出电压为 4.6 毫伏

在您的实验里您可能会有不同的结果

将测量与仿真结果对比手算结果会怎么样呢

请花点时间看看之前的结果 并与之相比较

实验课程的第二部分

我们会重复实验一相同的步骤

但这次输入电阻为 5k 欧姆

实验中我们会看到输入偏置电流

IB 对输出电压的影响

如原理图所示

原来将 U5 同相输入和地短接的跳线帽 JMP15

现在被移走了

现在安装上跳线帽 JMP14

是 U5 的同相输入端连接到一个 5k 欧姆的电阻

U5 的 IB 就会流过这个电阻

根据欧姆定律产生一个直流电压

增加失调电压的总量

和之前一样 使用 OPA211 和 OPA188

计算这个电路上由于 Vos 和 IB 产生的总输出电压

这里再给出两个器件手册上的参数以供参考

在下面的表格中输入您的计算结果

为了方便您检查计算的结果

我们也已经在这里给出了答案

由于 5k 欧姆的输入电阻 RIN

IB 产生的电压会受到 RIN 的影响

计算过程会稍微改变

我们使用新的公式

Vib=ibReq+ibRin

其他的计算步骤和实验一一样

我们重复这个计算过程以求得最大值

对于 OPA188 分别使用典型值和最大值

重复两套计算和之前一样

OPA188 不同的电气特性

会产生不同的输出电压计算结果

重新运行 DC 节点电压分析仿真

确保使用合适的跳线设置

在 OPA211 电路上

JMP13 和 JMP15 断开 JMP14闭合

在 OPA188 电路中

JMP9 和 JMP11 断开 JMP10闭合

在重新运行 VirtualBench 的测量之前

测试板上的跳线设置必须修改

去除跳线帽 JMP11 和 JMP15

安装跳线帽 JMP10 和 JMP14

所有其它的跳线帽和器件之前的实验保持一致

在实验二中 OPA188 测量的输出电压为 3.49mV

OPA211 测量的输出电压为 375mV

在您的实验中您可能得到不同的结果

将测量与仿真结果对比手算的结果会怎么样呢

在这个实验里 OPA211 的输出

比手算和仿真的典型值都要大

但比计算的最大值要小

OPA188 的输出小于手算和仿真的典型值

现在让我们比较两次实验的结果

输入阻抗的变化是怎样影响输出电压测量的呢

在 OPA211 中

增加输入阻抗会导致输出电压的急剧增加

然而在 OPA188 中则看不到大幅度的增加

这是因为 OPA211 比 OPA188

有更大的输入偏置电流 IB

本次实验环节到此为止

非常感谢您的观看