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運(yùn)算放大器輸入偏置電流

發(fā)布時(shí)間:2021-12-30 來(lái)源:ADI 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】理想情況下,并無(wú)電流進(jìn)入運(yùn)算放大器的輸入端。而實(shí)際操作中,始終存在兩個(gè)輸入偏置電流,即IB+和IB-(參見(jiàn)圖1)。


輸入偏置電流定義


理想情況下,并無(wú)電流進(jìn)入運(yùn)算放大器的輸入端。而實(shí)際操作中,始終存在兩個(gè)輸入偏置電流,即IB+和IB-(參見(jiàn)圖1)。


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圖1:運(yùn)算放大器輸入偏置電流


IB的值大小不一,在靜電計(jì)AD549中低至60 fA(每三毫秒通過(guò)一個(gè)電子),而在某些高速運(yùn)算放大器中可達(dá)數(shù)十微安。運(yùn)算放大器采用由雙極性結(jié)型晶體管(BJT)或FET長(zhǎng)尾對(duì)構(gòu)成的簡(jiǎn)單輸入結(jié)構(gòu)時(shí),偏置電流為單向流動(dòng)。而采用更為復(fù)雜的輸入結(jié)構(gòu)時(shí)(如偏置補(bǔ)償和電流反饋運(yùn)算放大器),偏置電流可能是兩個(gè)或以上內(nèi)部電流源之間的差分電流,且可能是雙向流動(dòng)。


對(duì)運(yùn)算放大器用戶來(lái)說(shuō),偏置電流是個(gè)問(wèn)題,因?yàn)楫?dāng)其流過(guò)外部阻抗時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓,進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)誤差增加。以1 MΩ源阻抗驅(qū)動(dòng)同相單位增益緩沖器為例,如果IB為10 nA,則會(huì)額外引入10 mV的誤差。這種誤差度在任何系統(tǒng)中都不容忽略。


或者,如果設(shè)計(jì)人員完全忘記考慮IB并且采用容性耦合,那么電路將根本不能工作!或者,如果IB足夠小,那么電路或許能在電容充電期間短暫工作,結(jié)果導(dǎo)致更多的問(wèn)題。因此,我們應(yīng)當(dāng)明白,任何運(yùn)算放大器電路中都不能忽略IB的影響,儀表放大器電路中亦是如此。


輸入失調(diào)電流


“輸入失調(diào)電流”IOS是IB–和IB+之差,即IOS = IB+ ? IB–。另請(qǐng)注意,兩個(gè)偏置電流首先必須基本上具有相當(dāng)良好的匹配性,IOS才有意義。多數(shù)電壓反饋(VFB)型運(yùn)算放大器都是如此。不過(guò),針對(duì)電流反饋(CFB)型運(yùn)算放大器等來(lái)談IOS就沒(méi)什么意義,因?yàn)檫@兩個(gè)電流完全不匹配。


需要注意的是,對(duì)于由兩個(gè)并聯(lián)級(jí)構(gòu)成的軌到軌輸入級(jí),當(dāng)共模電壓經(jīng)過(guò)躍遷區(qū)時(shí),偏置電流方向會(huì)發(fā)生改變。因此,這類器件的偏置電流和失調(diào)電流尤其難以標(biāo)定,根本不可能簡(jiǎn)單地給出最大正值/負(fù)值。


內(nèi)部偏置電流消除電路


如果通過(guò)內(nèi)部電流源提供該必要的偏置電流,如下文圖2所示,那么基極電流與電流源之間的差分電流將是流入輸入端的唯一“外部”電流,它可能相當(dāng)小。


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圖2:偏置電流補(bǔ)償雙極性輸入級(jí)


多數(shù)現(xiàn)代精密雙極性輸入級(jí)運(yùn)算放大器都會(huì)采用某種方式的內(nèi)部偏置電流補(bǔ)償,大家熟悉的OP07和OP27系列就是如此。


偏置電流補(bǔ)償輸入級(jí)具有簡(jiǎn)單雙極性輸入級(jí)的許多優(yōu)良特性,例如:低電壓噪聲、低失調(diào)電壓和低漂移。此外,它還提供具有相當(dāng)溫度穩(wěn)定性的低偏置電流。但是,其電流噪聲特性不是非常好,而且偏置電流匹配較差。


后兩個(gè)副作用源于外部偏置電流,它是補(bǔ)償電流源與輸入晶體管基極電流的“差值”。這兩個(gè)電流不可避免地具有噪聲。由于無(wú)相關(guān)性,兩個(gè)噪聲以方和根形式相加(但直流電流采用減法)。


所產(chǎn)生的外部偏置電流為兩個(gè)近乎相等的電流之差,因此凈電流的極性是不確定的。所以,偏置補(bǔ)償運(yùn)算放大器的偏置電流可能不僅不匹配,而且有可能反向流動(dòng)!多數(shù)應(yīng)用中這點(diǎn)并不重要,但在有些應(yīng)用中卻會(huì)產(chǎn)生無(wú)法預(yù)料的影響(例如,在用偏置補(bǔ)償運(yùn)算放大器構(gòu)建的采樣保持(SHA)電路中,壓降可能具有兩種極性之一)。


許多情況下,運(yùn)算放大器的數(shù)據(jù)手冊(cè)中沒(méi)有提到偏置電流補(bǔ)償特性,而且不會(huì)提供原理示意圖。通過(guò)檢查偏置電流規(guī)格,很容易確定是否采用了偏置電流補(bǔ)償。如果偏置電流用"±"值表示,則運(yùn)算放大器非常有可能對(duì)偏置電流進(jìn)行了補(bǔ)償。注意,通過(guò)檢查“失調(diào)電流”規(guī)格(偏置電流之差),很容易驗(yàn)證這一點(diǎn)。如果存在內(nèi)部偏置電流補(bǔ)償,則失調(diào)電流的幅度與偏置電流相同。如果沒(méi)有偏置電流補(bǔ)償,則失調(diào)電流一般比偏置電流至少低10倍。注意,無(wú)論偏置電流的確切幅度是多少,上述關(guān)系一般都成立。


如前所述,對(duì)于軌到軌輸入級(jí),當(dāng)共模電壓經(jīng)過(guò)交越區(qū)時(shí),偏置電流方向會(huì)發(fā)生改變。因此,這類器件的偏置電流和失調(diào)電流尤其難以指定,根本不可能簡(jiǎn)單地給出最大正值/負(fù)值。


消除偏置電流影響(運(yùn)算放大器外部)


當(dāng)運(yùn)算放大器的偏置電流匹配良好時(shí)(如前所述,就像簡(jiǎn)單的雙極性輸入級(jí)運(yùn)算放大器那樣,但“不”包括內(nèi)部偏置補(bǔ)償運(yùn)算放大器),偏置補(bǔ)償電阻R3 (R3=R1||R2)會(huì)在同相輸入中引入壓降,以便與反相輸入中R1和R2并聯(lián)組合上的壓降匹配并實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。這樣可以最大程度地減少額外的失調(diào)電壓誤差,如圖3所示。注意,如果R3大于1 kΩ,則應(yīng)使用電容進(jìn)行旁路,以免噪聲影響。另請(qǐng)注意,當(dāng)偏置電流匹配不佳時(shí),這種消除偏置方式毫無(wú)用處,事實(shí)上會(huì)更糟。


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圖3:消除應(yīng)用中的輸入偏置電流影響


測(cè)量輸入失調(diào)電流和輸入偏置電流


可以利用圖4中的測(cè)試電路來(lái)測(cè)量輸入偏置電流(或輸入失調(diào)電壓)。要測(cè)量IB,應(yīng)插入大電阻RS與待測(cè)輸入端串聯(lián),從而產(chǎn)生大小等于IB×RS的顯著額外失調(diào)電壓。如果之前已經(jīng)測(cè)量并記錄實(shí)際的VOS,則可以確定因RS變化而導(dǎo)致的VOS明顯變化,進(jìn)而可以輕松計(jì)算出IB。這樣即可得出IB+和IB–的值。IB的額定值是這兩個(gè)電流的平均值,即IB = (IB+ + IB–)/2。


通常,有效RS值的變化范圍為100 kΩ(雙極性運(yùn)算放大器)至1000 MΩ(某些FET輸入器件)。


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圖4:測(cè)量輸入偏置電流


對(duì)于極低的輸入偏置電流,則必須采用積分技術(shù)來(lái)測(cè)量。具體方法是利用所考慮的偏置電流給電容充電,然后測(cè)量電壓變化速率。如果電容和一般電路泄露可以忽略不計(jì)(電流小于10 fA時(shí),很難測(cè)量),則可直接根據(jù)測(cè)試電路的輸出變化速率計(jì)算出該電流?;驹砣缦旅鎴D5所示。斷開(kāi)一個(gè)開(kāi)關(guān),閉合另一個(gè)開(kāi)關(guān),可以分別測(cè)得IB+或IB–。


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圖5:測(cè)量極低的偏置電流


很明顯,C只可使用高品質(zhì)的電容電介質(zhì),如特氟龍或聚丙烯等類型。


參考文獻(xiàn):


1. Hank Zumbahlen, Basic Linear Design, Analog Devices, 2006, ISBN: 0-915550-28-1. Also available as Linear Circuit Design Handbook, Elsevier-Newnes, 2008, ISBN-10: 0750687037, ISBN-13: 978-0750687034. Chapter 1.

2. Walter G. Jung, Op Amp Applications, Analog Devices, 2002, ISBN 0-916550-26-5, Also available as Op Amp Applications Handbook, Elsevier/Newnes, 2005, ISBN 0-7506-7844-5. Chapter 1. 



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