運(yùn)放參數(shù)解析：輸入偏置電流(Ibias)和失調(diào)電流(Ios)

今天與大家分享一下運(yùn)放系列第一個(gè)問題：輸入偏置電流(Ibias)和失調(diào)電流(Ios)。

（1）運(yùn)放為什么存在偏置電流

（2）運(yùn)放輸入級對偏置電流的影響

（3）運(yùn)放內(nèi)部如何降低偏置電流

（4）如何從手冊中識(shí)別Ibias補(bǔ)償運(yùn)放

（5）運(yùn)放外部如何補(bǔ)償偏置電流造成的影響

01

大家分析運(yùn)放電路時(shí)對“虛短”與“虛斷”這兩個(gè)概念不陌生。其中“虛斷”即表示運(yùn)放同向端與反向端電流為0，但這是建立在理想運(yùn)放的前提下。實(shí)際的運(yùn)放輸入阻抗不可能為無窮大，因此必然同向端與反向端必然存在微小的電流即失調(diào)電流（Ibias）。若忽略Ibias計(jì)算結(jié)果必然存在一定誤差！不同的運(yùn)放Ibias也存在較大差異，小至fA級別（CMOS，JFET運(yùn)放）大至uA(BJT運(yùn)放)，并且Ib+與Ib-的流向可能相同也可能不同，不存在二極管鉗位電路和偏置電流補(bǔ)償電路時(shí)Ib+與Ib-一般為同向，而存在這兩種電路時(shí)Ib+與Ib-可能為反向！Ibias表達(dá)式為

圖1 運(yùn)放偏置電流

那Ibias存在的原因是什么呢？圖2為標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放LM358的輸入級，我們知道運(yùn)放正常工作時(shí)BJT工作在放大區(qū)，因此必須要提供一定的基極電流Ib為BJT提供靜態(tài)工作點(diǎn)使其始終處于放大區(qū)，否則BJT將發(fā)生截止失真。

圖2 LM358輸入級

通常運(yùn)放的輸入級為BJT，F(xiàn)ET或者M(jìn)OS構(gòu)成的差分放大電路。由于FET和MOS具有極高的輸入阻抗，因此由其構(gòu)成的運(yùn)放Ibias往往比BJT構(gòu)成的要小。但由于CMOS的柵極SiO2層易受靜電或過壓擊穿，所以如圖3所示運(yùn)放內(nèi)部通常會(huì)引入二極管進(jìn)行鉗位保護(hù)，二極管存在很小的截止電流，所以此時(shí)Ib+和Ib-為二極管截止電流與CMOS柵極電流的代數(shù)和。由于二極管截止電流方向及大小存在差異因此此類型的運(yùn)放Ib+與Ib-流向可能同向或者反向。

圖3 CMOS+鉗位二極管

為了盡可能降低偏置電流，一些精密運(yùn)放通常采用如圖4所示補(bǔ)償電路為BJT提供必要的基極電流，此時(shí)可以極大減小輸入偏置電流，此時(shí)Ib+與Ib-為補(bǔ)償電流與BJT基極電流之差，由于補(bǔ)償電流源電流差異及BJT的差異，Ib+與Ib-的大小可能不一樣且方向也存在隨意性。

圖4 I bias補(bǔ)償電路

Ios稱作運(yùn)放的失調(diào)電流，其表明運(yùn)放兩輸入端Ib+和Ib-之差，Ios=Ib+ - Ib-。Ios越小則表明運(yùn)放的失調(diào)電流一致性越好。此外Ios僅對電壓型運(yùn)放適用。

02

看過運(yùn)放手冊的朋友都知道運(yùn)放是否存在偏置電流補(bǔ)償和二極管鉗位電路往往無法很直接的看出。認(rèn)識(shí)了Ios并結(jié)合上述Ibias的特點(diǎn)，這里有兩條小技巧非常方便用來判斷：

（1）若手冊中Ibias參數(shù)標(biāo)有±，很大概率此運(yùn)放存在偏置電流補(bǔ)償;

（2）若手冊中Ios與Ibias參數(shù)屬于同一數(shù)量級，則存在偏置電流補(bǔ)償，若Ibias與Ios 相差較多，則該運(yùn)放不存在偏置電流補(bǔ)償;

表1為ADI的LT1358運(yùn)放對于偏置電流和失調(diào)電流的定義，可知該運(yùn)放Ib參數(shù)沒有±，且Ib與Ios相差不大，據(jù)此可以推斷該運(yùn)放不存在偏置電流補(bǔ)償和二極管鉗位電路。這也可以說明該運(yùn)放是BJT型運(yùn)放。

表1 LT1358 數(shù)據(jù)手冊

再看一下TI的OPA2607數(shù)據(jù)手冊可知該運(yùn)放Ib為±值，且Ib和Ios一樣大，所以該運(yùn)放存在偏置電流補(bǔ)償。

表2 OPA2607數(shù)據(jù)手冊

聊到這里，我們需要認(rèn)識(shí)一下偏置電流對電路精度的影響。下圖為LT1358配置為電壓跟隨器的電路。對該電路進(jìn)行仿真，運(yùn)放為±5V供電，Vi為2V理想電壓源，此時(shí)Vo=1.9999694V，非常接近Vi，偏置電流好像沒有“發(fā)揮”它的作用。

圖7 LT1358構(gòu)成電壓跟隨器

圖8 圖7電路仿真結(jié)果

如圖9所示，現(xiàn)實(shí)中上述電路幾乎是不存在的，因?yàn)殡妷涸炊即嬖趦?nèi)阻Rs。僅加入Rs后Vo=1.9985139V，Vo怎么變小了？原因就在于有Ib+流過了Rs造成Vp＜Vi！我們再來計(jì)算一下看看真的是這樣嗎？仿真中Ib+ = 145.58662nA。

Bingo！計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果非常接近，證明我們的分析是正確的。有時(shí)我們認(rèn)為這點(diǎn)誤差根本不重要，但是這僅僅是放大倍數(shù)為1時(shí)，若放大倍數(shù)很高時(shí)誤差將非常大！因?yàn)槠秒娏鲿?huì)流過外部的電阻網(wǎng)絡(luò)所以當(dāng)設(shè)計(jì)其它運(yùn)放電路時(shí)我們要合理選取外部電阻值盡量減小偏置電流的影響！

圖9 實(shí)際電壓跟隨器

圖10 圖9電路仿真結(jié)果

03

那我們?nèi)绾蜗秒娏髟斐傻恼`差呢？一方面我們要選用偏置電流盡可能小的運(yùn)放，另一方面我們也可以如圖11在電路中加入Rn=10k以此來平衡Ib+引起的誤差，若Rn較大時(shí)可以并聯(lián)Cn以減小高頻噪聲引起的干擾。加入Rn后的Vo仿真結(jié)果如圖12為Vo=1.9999703V，與2V非常接近，說明Rn有助于減小偏置電流造成的誤差。

圖11 引入平衡電阻Rp

圖12 引入Rp后Vo

不論哪種類型的運(yùn)放都可以利用平衡電阻解決偏置電流造成的誤差嗎？答案是否定的！只有當(dāng)運(yùn)放的Ib+和Ib-一致性（大小和方向）很好時(shí)才可以使用。內(nèi)部存在偏置電流補(bǔ)償或者二極管鉗位的運(yùn)放并不能很好地利用平衡電阻進(jìn)行補(bǔ)償，因?yàn)檫@種運(yùn)放Ib+和Ib-大小和方向都有可能不一樣，若盲目的引入平衡電阻有可能造成誤差不降反增的結(jié)果！所以要先確定好運(yùn)放的類型再?zèng)Q定是否可以補(bǔ)償。

OK，關(guān)于運(yùn)放失調(diào)電壓的幾點(diǎn)問題今天就和大家分享到這里，喜歡筆者的讀者請點(diǎn)擊下方公眾號(hào)名片關(guān)注筆者，您的關(guān)注與支持將轉(zhuǎn)換為筆者前進(jìn)的動(dòng)力，小生將在后續(xù)的推送中不斷送出更多優(yōu)質(zhì)內(nèi)容，關(guān)注后還可加入技術(shù)交流群與各路大神共同探討進(jìn)步。

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