【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)。
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(hù)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(lèi)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。
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(lèi)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。
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)。
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。基本原理如下面圖5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–。
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(lèi)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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