运算放大器的偏置电流

Posted 2022-09-10 卓晴

• Op Amp Input Bias Current

 

01 偏置电流

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一、偏置电流定义

  理想运算放大器的输入端口没有电流流入流出。但实际运放器件的输入端口存在着两个偏置电流， $I_{B+}$ 和 $I_{B-}$ 。

▲ 图1.1 运算放大器的偏置电流

  运放的偏置电流有以下特点：

• 运放偏置电流是一个变化的参数；
• $I_B$ 随着器件不同，可能从 60fA（每3 $\mu s$ 流过 1 个电子）到数个微安级别；
• 一些运放结构具有匹配的 $I_B$ ，一些运放 $I_B$ 不匹配；
• 有些运放中的 $I_B$ 随着温度变化很小，但是 FET运放随着温度每升高 10℃ $I_B$ 增加一倍；
• 有些运放的 $I_B$ 可能会双向流动；

  在 AD549 静电计运放的 $I_B$ 大约为 60fA，一些高速运放的偏置电流可以达到数十个微安。带有长尾对输入结构的 BJT 或者 FET 运放的偏置电流是单向流动。一些复杂结构（偏置补偿或者电流反馈运放）内部有不同电流源，对应的偏置电流是双向流动。

  偏置电流在运放输入端外部电阻后产生电压会对使用者造成麻烦，产生系统误差。比如对于一个同相单位增益缓冲电流，如果信号源电阻为 1MΩ，那么当 $I_B=1nA$ 时，就会产生 10mV 的误差，对于任何系统这个误差都不能被忽略。或者当设计者忘记偏置电流这么一回事，使用电容耦合信号，则电路就跟不能工作。也许在电容开始充电时电路工作，后面引起错误输出。重要的是在任何运放电路设计中不要忽略 $I_B$ 的作用，对放大电路内部也需要时刻警惕。

二、失调电流

  输入失调电流是指两个偏置电流 $I_{B+},I_{B-}$ 之间的差别， $I_{OS}=I_{B+}-I_{B-}$ 。如果两个偏置电流一开始就匹配时，失调电流会产生影响，比如对于大多数电压负反馈运放电路。如果对于电流反馈电路，由于偏置电流就根本不匹配，失调电流也不会产生太大的影响。

  在轨到轨输入端电路设计中，由于存在两个并行的输入级，当共模电压经过转换区域时，偏置电流会改变方向，对于这种器件，偏置和失调电流相对难以定义，通常简单给出正负最大范围。失调电流的大小通常是偏置电流的十分之一左右。

三、内部偏置电流抵消电路

  下图显示了内部提供偏置电流源设计，实际输入偏置电流是内部偏置电流减去三极管偏置电流的差，所以会非常小。

▲ 图1.3.1 内部带有偏置电流补偿电路双极性输入级

  一些当代精密运放使用了内部偏置电流补偿电路，比如大家熟悉的 OP07 、 OP27 运放系列。 下面给出了这种电路的优缺点。

  这种电路的优点：

• 失调电压小：小于 10 $\mu V$ ；
• 失调电压漂移小：小于 $0.1\mu V$/℃；
• 偏置电流温度稳定性好；
• 偏置电流小：小于 $0.5-10nA$ ；
• 电压噪声小：小于 $1nV/\sqrt{Hz}$ ；

  电路的缺点：

• 偏置电流匹配性不好，甚至电流流向会发生变化；
• 电流噪声大；
• 对于高频电路用途不大；
• 由于附加了输入阻抗，会造成匹配信号源阻抗困难；

  由于输入端噪声源包括有输入三极管基极噪声电流和补偿噪声电流，它们是不相关，所以噪声的能量会相加。通常情况下偏置电流补偿特性在器件的数据手册中并没有给出，在内部电路原理图中也不显示。可以通过器件的偏置电流指标来确认是否内部具有偏置电流补充电路。如果偏置电流指标为 “±” 数值，通常器件具有偏置电流补偿电路。

四、消除偏置电流影响

  当运放的偏置电流很好的匹配（对于一些双极性输入级，不带内部偏置电流补偿电路）的运放，可以通过外部输入匹配电阻 R3 (R3=R1//R2) 来抵消偏置电流的影响，减少了附加的失调电压误差。当 R3 大于 1kΩ时，通常需要并联一个电容来降低噪声。对于偏置电流不匹配的运放，这种外部匹配电阻的使用非但不起作用，有可能会使误差变得更糟。

▲ 图1.4.1 消除偏置电流影响的应用电路

五、测量失调和偏置电流

  下图给出了测量偏置电流（或者输入失调电压）的电路。 在被测运放的输入端串联一个电阻 Rs 用于测量偏置电流 IB。偏置电流在串联电阻上产生一个附加的失调电压 $I_B\times I_S$ 。如果输出电压 $V_O$ 在开始的时候已经测量记录了，那么 $V_O$ 的变化就反应了 $R_S$ 上的由于 $I_B$ 所带来的电压变化。当 $I_{B+},I_{B-}$ 被测量出之后，它们的平均值 $I_B=\left(I_{B+}+I_{B-}\right)/2$ 就是运放的偏置电流。

  对于一些双极性运放， $R_S$ 通常选择 $100k\Omega$ ，对于 FET 输入器件， $R_S$ 选择 1000MΩ。

▲ 图1.5.1 测量偏置电流的电路

  选择 $R_S>>100\Omega ,\left(100k\Omega -1G\Omega \right)$ ，电路的输出 $$V_O=\left[1+\frac{R_2}{100}\right]V_{OS}+\left[1+\frac{R_2}{100}\right]I_{B+}{R}_s-\left[1+\frac{R_2}{100}\right]I_{B-}{R}_s$$

• S1 闭合，测量 $I_{B+}$ ；
• S2 闭合，测量 $I_{B-}$ ；
• S1，S2 都闭合，测量 $V_{OS}$ ；
• S1，S2 都打开，测量 $I_{OS}$ ；

  对于输入偏置电流非常小的运放，可以采用积分方法进行测量。 偏置电流对电容充电，测量输出电压变化率可以获得偏置电流的大小。充电电容的漏电流通常使用特氟龙（Teflon）或者 聚丙烯（Polypropylene）电容。对于 小于 10fA 的器件，这种方法也会变得困难。

▲ 图1.5.2 计分方法测量偏置电流

• S1 打开测量 I B + I_B + 运算放大器的偏置电流

  HBT偏置：有源电流镜偏置

  HBT偏置：有源电流镜偏置

  ✔GOPA828放大器模块 超低输入电流偏置 同相/反相放大器 跟随器

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