運(yùn)算放大器輸入偏置電流的理解和影響

【模擬電路設(shè)計(jì)】輸入偏置電流（Input Bias Current， IB）

對(duì)于新手或者從事芯片封裝行業(yè)的人員經(jīng)常拿到運(yùn)放的技術(shù)手冊(cè)不會(huì)看，我們最近就以LM741 Operational Amplifier來進(jìn)行講解，首先先看看圖1，里面涉及很多參數(shù)，也是挑選運(yùn)放最重要的指標(biāo)，而前面已經(jīng)講述了Input Offset Voltage（輸入失調(diào)電壓）和Slew Rate（壓擺率），大概知道了他們的作用，對(duì)他們已經(jīng)有了一個(gè)大概的認(rèn)識(shí)，那今天我們主要講解的內(nèi)容就是Input Bias Current（輸入偏置電流）。

圖1 LM741 Electrical Characteristics

01輸入偏置電流的理解

理論來說輸入應(yīng)具有無窮大的阻抗，這意味著絕對(duì)沒有電流流入其中。然而，事實(shí)并非如此，所有運(yùn)算放大器都會(huì)有電流流入。流過運(yùn)算放大器輸入端的電流量稱為輸入偏置電流。輸入偏置電流就是當(dāng)運(yùn)放的輸出直流電壓為零時(shí)運(yùn)放兩輸入端流進(jìn)或流出直流電流的平均值。將輸入偏置電流指定為同相端輸入偏置電流IB+和反相端輸入偏置電流IB的平均值，如圖2所示。

圖2 偏置電流就是兩輸入端之和的平均值

輸入偏置電流與制造工藝有關(guān)系，CMOS和JFET輸入比標(biāo)準(zhǔn)雙極輸入有低得多的輸入電流。

輸入偏置電流會(huì)在輸入端產(chǎn)生額外的失調(diào)電壓降，從而導(dǎo)致輸出端出現(xiàn)失調(diào)誤差。對(duì)于大多數(shù)產(chǎn)品，此問題可以忽略不計(jì)，但在某些情況下需要重點(diǎn)考慮。當(dāng)源阻抗較高時(shí)，需要關(guān)注輸入偏置電流。如果運(yùn)算放大器具有高輸入偏置電流，它會(huì)加載源并且會(huì)看到低于預(yù)期的電壓。如果源阻抗很高，最好的解決方案是使用帶有CMOS或JFET 輸入的運(yùn)算放大器。還可以通過使用緩沖級(jí)來驅(qū)動(dòng)具有高輸入偏置電流的運(yùn)算放大器來降低源阻抗。在雙極輸入的情況下，可以通過匹配輸入端的阻抗來消除失調(diào)電流。對(duì)于CMOS或JFET 輸入，偏移電流通常不是問題，也不需要匹配阻抗。

CMOS放大器的輸入偏置電流主要由ESD結(jié)構(gòu)、保護(hù)二極管和連接到輸入的其他次級(jí)電路的泄漏電流決定。該泄漏電流的幅度很小——大約為皮安(pA)，如圖3所示。

圖3 輸入級(jí)顯示了泄漏如何充當(dāng)輸入偏置電流

而雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 放大器的輸入需要基極電流以實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)钠?，因?BJT 輸入偏置電流要大得多——大約為微安(μA)或納安（nA）。對(duì)于雙極運(yùn)算放大器，當(dāng)輸入差分晶體管導(dǎo)通時(shí)，少量電流在基極和發(fā)射極之間流動(dòng)。換句話說，基極-發(fā)射極電流是偏置晶體管所需的電流量。該電流通常在納安或微安的范圍內(nèi)。對(duì)于PNP輸入對(duì)，電流流出輸入晶體管，如圖4所示為雙極放大器的簡(jiǎn)化PNP輸入級(jí)。對(duì)于軌到軌輸入雙極運(yùn)算放大器，將使用額外的NPN輸入對(duì)，電流將流入NPN輸入級(jí)。因此，輸入偏置電流是BJT放大器的一個(gè)重要問題。

圖4 輸入偏置電流如何改變放大器輸出

問題1：那么你可能會(huì)有疑惑，既然CMOS放大器的輸入偏置電流幾乎可以忽略不計(jì)，為什么還需要BJT放大器？

回答1：在相同的靜態(tài)電流下，與CMOS晶體管相比，BJT具有更大的跨導(dǎo)(gm)。此外，BJT 之間的匹配也好很多，1/f噪聲也是如此。這三個(gè)優(yōu)點(diǎn)對(duì)于高速精密放大器都是至關(guān)重要的；因此，BJT 輸入在高性能運(yùn)算放大器和全差分放大器（FDA）中無處不在。

02輸入偏置電流的影響

輸入偏置電流會(huì)影響放大器的輸出。例如，如果有一個(gè)大電阻與運(yùn)算放大器輸入串聯(lián)，則IB流過它并增加一個(gè)偏移量。例如，圖5中所示的原理圖。IB =10nA的電壓跟隨器電路（也稱為單位增益緩沖電路）中的1MΩ輸入電阻器會(huì)在電阻器上產(chǎn)生額外的10mV電壓降，從而導(dǎo)致10mV的輸出誤差。

圖5 輸入偏置電流在該單位增益電路中產(chǎn)生電壓偏移

為了消除IB產(chǎn)生的任何偏移電壓，有時(shí)電路設(shè)計(jì)人員會(huì)嘗試匹配運(yùn)算放大器的同相和反相輸入端子所見的輸入電阻，如圖6所示。然而，如果偏置電流不匹配，產(chǎn)生的輸入失調(diào)電流(IOS)仍會(huì)產(chǎn)生額外的輸入失調(diào)電壓。IOS產(chǎn)生的這種偏移電壓會(huì)導(dǎo)致輸出誤差。

圖6 輸入電阻匹配可以降低輸入偏置電流的影響

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