ออฟเซ็ตกับกระแสไบอัสออปแอมป์: แยกต้นเหตุของแรงดันคลาดเล็กน้อย

เมื่อบัฟเฟอร์ควรส่งผ่านแรงดันหนึ่งโวลต์แต่เอาต์พุตต่างออกไปไม่กี่มิลลิโวลต์ การหมุนปรับให้ตรงเพียงจุดเดียวอาจซ่อนสาเหตุที่เปลี่ยนตามแหล่งสัญญาณไว้ แรงดันออฟเซ็ตของอินพุตและกระแสไบอัสเป็นความไม่สมบูรณ์คนละแบบ แบบแรกเหมือนมีแหล่งแรงดันเล็กแทรกอยู่ในภาคเปรียบเทียบ ส่วนแบบหลังต้องมีทางไหลผ่านความต้านทานภายนอกแล้วจึงสร้างแรงดันคลาด การแยกสองกลไกช่วยเลือกวิธีแก้ให้ตรงจุด

สร้างแบบจำลองออฟเซ็ตโดยระบุเครื่องหมาย

แรงดันออฟเซ็ตอินพุตมักเขียนเป็น Vos สำหรับการคำนวณในบทนี้กำหนดเครื่องหมายบวกว่าออฟเซ็ตทำให้เอาต์พุตบัฟเฟอร์สูงกว่าแรงดันที่ขาไม่กลับเฟส ข้อตกลงเครื่องหมายนี้ใช้เพื่ออธิบายโจทย์ ไม่ใช่ข้อสรุปว่าออฟเซ็ตของทุกตัวเป็นบวก ถ้า Vos เท่ากับบวกหนึ่งมิลลิโวลต์และไม่มีผลอื่น บัฟเฟอร์ที่รับหนึ่งโวลต์จะให้ประมาณ 1.001 โวลต์ภายในช่วงทำงานเชิงเส้น

วงจรที่มีอัตราขยายมากกว่าหนึ่งจะขยายผลออฟเซ็ตตาม noise gain สำหรับวงจรไม่กลับเฟสใช้หนึ่งบวกอัตราส่วนตัวต้านทานป้อนกลับต่อแขนลงจุดอ้างอิง เช่น แขนป้อนกลับหนึ่งร้อยกิโลโอห์มและแขนล่างสิบกิโลโอห์มได้สิบเอ็ดเท่า ออฟเซ็ตหนึ่งมิลลิโวลต์จึงมีส่วนสร้างความคลาดเอาต์พุตสิบเอ็ดมิลลิโวลต์ ตัวเลขนี้เป็นเฉพาะส่วนออฟเซ็ต ยังไม่รวมแรงดันคลาดจากกระแสไบอัสหรือความคลาดอัตราส่วนตัวต้านทาน

1. 1
   แหล่งกับความต้านทาน

   แหล่งหนึ่งโวลต์ส่งสัญญาณผ่าน Rs ก่อนถึงขาไม่กลับเฟส

2. 2
   แรงดันตกจากกระแส

   กระแสไหลเข้าขาทำให้แรงดันลดลง Ib คูณ Rs และเปลี่ยนตามความต้านทาน

3. 3
   รวมออฟเซ็ต

   Vos บวกหนึ่งมิลลิโวลต์ตามข้อตกลงเพิ่มเอาต์พุต แต่ไม่ได้เปลี่ยนตาม Rs โดยตรง

4. 4
   ไม่หวังหักล้าง

   เมื่อทิศและขนาดจริงไม่แน่นอน ให้วางงบขนาดความคลาดแทนอาศัยผลบวกหักลบพอดี

เครื่องหมายบวกของ Vos ในบทกำหนดให้ยกเอาต์พุตบัฟเฟอร์

กระแสไบอัสต้องคูณความต้านทานที่เห็นจริง

อินพุตจริงต้องรับหรือปล่อยกระแสเล็กน้อย แม้ว่าความต้านทานอินพุตจะสูง ในแบบจำลองบัฟเฟอร์ให้แหล่งแรงดันอุดมคติต่อผ่าน Rs เข้าขาไม่กลับเฟส ถ้ากระแสไบอัสไหลเข้าขานี้ แรงดันที่ขาจะต่ำกว่าแหล่งอยู่ Ib คูณ Rs แต่ถ้าทิศกระแสกลับกัน เครื่องหมายผลก็กลับด้วย จึงต้องรู้ทิศทางหรือใช้ขอบเขตค่าสัมบูรณ์ ไม่เอาค่าเฉลี่ยกระแสของสองขามาแทนกระแสแต่ละขาโดยไม่ตรวจเงื่อนไข

ขากลับเฟสของบัฟเฟอร์ต่อเอาต์พุตโดยตรง จึงไม่มีตัวต้านทานภายนอกขนาดใหญ่ให้กระแสขานั้นสร้างแรงดันตกแบบเดียวกับ Rs ในโจทย์ง่ายนี้ อย่างไรก็ตามวงจรขยายที่มีตัวต้านทานป้อนกลับต้องนับกระแสทั้งสองขา และอาจมีผลหักล้างหรือเสริมกัน ความต้านทานที่ใช้คำนวณคือความต้านทานสมมูลของแหล่งเมื่อมองจากขานั้น ไม่จำเป็นต้องเท่ากับตัวต้านทานเพียงตัวเดียวที่อยู่ใกล้ขา

สถานการณ์สมมติ: เปลี่ยนความต้านทานแหล่งเพื่อแยกผล

สมมติบัฟเฟอร์ใช้ไฟห้าโวลต์และรองรับอินพุตกับเอาต์พุตแถวหนึ่งโวลต์ได้ แหล่งหนึ่งโวลต์ต่อผ่าน Rs หนึ่งร้อยกิโลโอห์ม กำหนดกระแสไหลเข้าขาไม่กลับเฟสยี่สิบนาโนแอมป์และ Vos บวกหนึ่งมิลลิโวลต์ แรงดันตกที่ Rs เท่ากับ 20 นาโนแอมป์คูณ 100000 โอห์ม หรือสองมิลลิโวลต์ ขาอินพุตจึงเหลือ 0.998 โวลต์ และเอาต์พุตประมาณ 0.999 โวลต์เมื่อรวมออฟเซ็ตตามเครื่องหมายที่กำหนด

เปลี่ยนเฉพาะ Rs เป็นหนึ่งกิโลโอห์มโดยรักษาแรงดันแหล่งและสภาพอื่น ผลจากกระแสเหลือยี่สิบไมโครโวลต์ เอาต์พุตจึงประมาณ 1.00098 โวลต์ ต่างจากรอบแรก 1.98 มิลลิโวลต์ ซึ่งเท่ากับยี่สิบนาโนแอมป์คูณผลต่างความต้านทานเก้าหมื่นเก้าพันโอห์ม ตัวอย่างนี้แสดงว่าการปรับชดเชยให้รอบแรกตรงหนึ่งโวลต์ไม่ได้รับรองรอบที่สอง เพราะสิ่งที่หักล้างกันในรอบแรกมีสองแหล่งที่เปลี่ยนไม่เหมือนกัน

1. 1
   Rs หนึ่งร้อยกิโลโอห์ม

   กระแสยี่สิบนาโนแอมป์สร้างแรงดันตกสองมิลลิโวลต์ เอาต์พุตรวมออฟเซ็ตได้ 0.999 โวลต์

2. 2
   Rs หนึ่งกิโลโอห์ม

   แรงดันตกเหลือยี่สิบไมโครโวลต์ เอาต์พุตรวมออฟเซ็ตได้ 1.00098 โวลต์

3. 3
   หาผลต่าง

   เอาต์พุตต่าง 1.98 มิลลิโวลต์ จากความต้านทานต่าง 99000 โอห์ม

4. 4
   ตรวจย้อนกระแส

   1.98 มิลลิโวลต์หาร 99000 โอห์ม ได้ยี่สิบนาโนแอมป์ ตรงสมมติฐานของโจทย์

คงแหล่งหนึ่งโวลต์ กระแสยี่สิบนาโนแอมป์ และ Vos บวกหนึ่งมิลลิโวลต์ในโจทย์

นำไปใช้เลือกอุปกรณ์และวงจรชดเชยอย่างมีเงื่อนไข

หากแหล่งสัญญาณมีความต้านทานสูง การเลือกกระแสไบอัสต่ำอาจสำคัญพอ ๆ กับ Vos ต่ำ ต้องดูค่าที่อุณหภูมิสูงสุดที่ใช้ด้วย สำหรับกระแสที่ไม่ทราบเครื่องหมาย สามารถตั้งงบแบบอนุรักษ์นิยมโดยรวมขนาดสูงสุดของ Vos และ IbRs แทนหวังว่าหักล้างกัน เช่น ขอบเขตหนึ่งกับสองมิลลิโวลต์ให้ขอบเขตสามมิลลิโวลต์ในบัฟเฟอร์นี้ แต่ไม่ใช่การรับประกันสามมิลลิโวลต์ของระบบจริงจนกว่าจะรวมความผิดพลาดส่วนอื่นครบ

การทำความต้านทานสมมูลที่สองขาให้เท่ากันช่วยลดผลกระแสได้ในบางโครงสร้างที่กระแสมีขนาดและทิศทางใกล้กัน แต่ความต่างของกระแสยังเหลือเป็นความผิดพลาด และอุปกรณ์ที่มีกลไกชดเชยกระแสภายในอาจไม่เหมาะกับวิธีนี้ การเพิ่มตัวต้านทานโดยไม่ตรวจคำแนะนำยังเพิ่มสัญญาณรบกวนและความไวต่อความจุแฝง จึงไม่ควรใส่ค่าขนานของแขนป้อนกลับเป็นสูตรบังคับสำหรับออปแอมป์ทุกชนิด

ข้อผิดพลาดในการวัดระดับไมโครโวลต์และนาโนแอมป์

มิเตอร์ที่แตะขาอินพุตอิมพีแดนซ์สูงอาจกินกระแสมากกว่ากระแสที่กำลังศึกษา ทำให้แบบจำลองเปลี่ยนทันที การแยกผลด้วยความต้านทานสองค่าและวัดเอาต์พุตที่อิมพีแดนซ์ต่ำจึงอาจเหมาะกว่า แต่ต้องยืนยันว่าแรงดันแหล่งไม่เปลี่ยนและความคลาดเครื่องมือเล็กพอ กระแสรั่วจากคราบบนบอร์ด ความชื้น และสายต่อก็อาจทำให้ผลดูเหมือนกระแสไบอัสของไอซี จึงไม่ควรถือผลทดลองครั้งเดียวเป็นพิกัดอุปกรณ์

ความต่างอุณหภูมิที่จุดต่อโลหะต่างชนิดอาจสร้างแรงดันเล็กที่มีนัยต่อการวัดละเอียด ควรรอวงจรและจุดต่ออยู่ในสภาวะคงที่ หลีกเลี่ยงจับจุดวัดระหว่างเก็บข้อมูล และสลับลำดับค่าความต้านทานเพื่อดูการไหลตามเวลา การสอบเทียบครั้งเดียวที่ห้องอุณหภูมิหนึ่งไม่ได้ลบออฟเซ็ตดริฟต์ทั้งหมด และการวัดขณะสัญญาณชนรางก็ใช้สมการเชิงเส้นข้างต้นไม่ได้

ตรวจสอบผลด้วยความชันแทนการเดาจากจุดเดียว

ภายใต้สมมติฐานว่ากระแสไบอัสกับออฟเซ็ตคงที่ เอาต์พุตควรเปลี่ยนเชิงเส้นกับ Rs โดยความชันมีขนาดเท่ากระแสไบอัส การเพิ่มค่าที่สามช่วยตรวจว่าสองจุดแรกไม่ได้ตรงกันโดยบังเอิญ หากความชันเปลี่ยนมาก ให้ตรวจการรั่ว ระดับแรงดันร่วม และการทรงตัวก่อนตีความ ในตัวอย่างผลต่าง 1.98 มิลลิโวลต์หาร 99000 โอห์มได้ยี่สิบนาโนแอมป์กลับมา เป็นการตรวจเลขภายในโจทย์ ไม่ใช่หลักฐานวัดชิ้นส่วนจริง และต้องรายงานความไม่แน่นอนเมื่อใช้วิธีนี้บนโต๊ะทดลอง