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運算放大器輸入偏置電流

發(fā)布時間:2021-12-30 來源:ADI 責任編輯:wenwei

【導讀】理想情況下,并無電流進入運算放大器的輸入端。而實際操作中,始終存在兩個輸入偏置電流,即IB+和IB-(參見圖1)。


輸入偏置電流定義


理想情況下,并無電流進入運算放大器的輸入端。而實際操作中,始終存在兩個輸入偏置電流,即IB+和IB-(參見圖1)。


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圖1:運算放大器輸入偏置電流


IB的值大小不一,在靜電計AD549中低至60 fA(每三毫秒通過一個電子),而在某些高速運算放大器中可達數(shù)十微安。運算放大器采用由雙極性結(jié)型晶體管(BJT)或FET長尾對構(gòu)成的簡單輸入結(jié)構(gòu)時,偏置電流為單向流動。而采用更為復雜的輸入結(jié)構(gòu)時(如偏置補償和電流反饋運算放大器),偏置電流可能是兩個或以上內(nèi)部電流源之間的差分電流,且可能是雙向流動。


對運算放大器用戶來說,偏置電流是個問題,因為當其流過外部阻抗時會產(chǎn)生電壓,進而導致系統(tǒng)誤差增加。以1 MΩ源阻抗驅(qū)動同相單位增益緩沖器為例,如果IB為10 nA,則會額外引入10 mV的誤差。這種誤差度在任何系統(tǒng)中都不容忽略。


或者,如果設計人員完全忘記考慮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)果導致更多的問題。因此,我們應當明白,任何運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–。另請注意,兩個偏置電流首先必須基本上具有相當良好的匹配性,IOS才有意義。多數(shù)電壓反饋(VFB)型運算放大器都是如此。不過,針對電流反饋(CFB)型運算放大器等來談IOS就沒什么意義,因為這兩個電流完全不匹配。


需要注意的是,對于由兩個并聯(lián)級構(gòu)成的軌到軌輸入級,當共模電壓經(jīng)過躍遷區(qū)時,偏置電流方向會發(fā)生改變。因此,這類器件的偏置電流和失調(diào)電流尤其難以標定,根本不可能簡單地給出最大正值/負值。


內(nèi)部偏置電流消除電路


如果通過內(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,它可能相當小。


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圖2:偏置電流補償雙極性輸入級


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


偏置電流補償輸入級具有簡單雙極性輸入級的許多優(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。


后兩個副作用源于外部偏置電流,它是補償電流源與輸入晶體管基極電流的“差值”。這兩個電流不可避免地具有噪聲。由于無相關(guān)性,兩個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,偏置補償運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!多數(shù)應用中這點并不重要,但在有些應用中卻會產(chǎn)生無法預料的影響(例如,在用偏置補償運算放大器構(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,運算放大器的數(shù)據(jù)手冊中沒有提到偏置電流補償特性,而且不會提供原理示意圖。通過檢查偏置電流規(guī)格,很容易確定是否采用了偏置電流補償。如果偏置電流用"±"值表示,則運算放大器非常有可能對偏置電流進行了補償。注意,通過檢查“失調(diào)電流”規(guī)格(偏置電流之差),很容易驗證這一點。如果存在內(nèi)部偏置電流補償,則失調(diào)電流的幅度與偏置電流相同。如果沒有偏置電流補償,則失調(diào)電流一般比偏置電流至少低10倍。注意,無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,對于軌到軌輸入級,當共模電壓經(jīng)過交越區(qū)時,偏置電流方向會發(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,根本不可能簡單地給出最大正值/負值。


消除偏置電流影響(運算放大器外部)


當運算放大器的偏置電流匹配良好時(如前所述,就像簡單的雙極性輸入級運算放大器那樣,但“不”包括內(nèi)部偏置補償運算放大器),偏置補償電阻R3 (R3=R1||R2)會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現(xiàn)補償。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,則應使用電容進行旁路,以免噪聲影響。另請注意,當偏置電流匹配不佳時,這種消除偏置方式毫無用處,事實上會更糟。


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圖3:消除應用中的輸入偏置電流影響


測量輸入失調(diào)電流和輸入偏置電流


可以利用圖4中的測試電路來測量輸入偏置電流(或輸入失調(diào)電壓)。要測量IB,應插入大電阻RS與待測輸入端串聯(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)測量并記錄實際的VOS,則可以確定因RS變化而導致的VOS明顯變化,進而可以輕松計算出IB。這樣即可得出IB+和IB–的值。IB的額定值是這兩個電流的平均值,即IB = (IB+ + IB–)/2。


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


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圖4:測量輸入偏置電流


對于極低的輸入偏置電流,則必須采用積分技術(shù)來測量。具體方法是利用所考慮的偏置電流給電容充電,然后測量電壓變化速率。如果電容和一般電路泄露可以忽略不計(電流小于10 fA時,很難測量),則可直接根據(jù)測試電路的輸出變化速率計算出該電流?;驹砣缦旅鎴D5所示。斷開一個開關(guān),閉合另一個開關(guān),可以分別測得IB+或IB–。


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圖5:測量極低的偏置電流


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:


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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