一、偏置電流定義

理想運(yùn)算放大器的輸入端口沒有電流流入流出。但實(shí)際運(yùn)放器件的輸入端口存在著兩個(gè)偏置電流， 和 。

▲ 圖1.1 運(yùn)算放大器的偏置電流 ??運(yùn)放的偏置電流有以下特點(diǎn)：

運(yùn)放偏置電流是一個(gè)變化的參數(shù)；

隨著器件不同，可能從 60fA（每3 流過 1 個(gè)電子）到數(shù)個(gè)微安級(jí)別；

一些運(yùn)放結(jié)構(gòu)具有匹配的 ? ，一些運(yùn)放 不匹配；

有些運(yùn)放中的 隨著溫度變化很小，但是 FET運(yùn)放隨著溫度每升高 10℃ ? 增加一倍；

有些運(yùn)放的 可能會(huì)雙向流動(dòng)；

在 ?AD549[2] 靜電計(jì)運(yùn)放的 ? 大約為 60fA，一些高速運(yùn)放的偏置電流可以達(dá)到數(shù)十個(gè)微安。帶有長(zhǎng)尾對(duì)輸入結(jié)構(gòu)的 BJT 或者 FET 運(yùn)放的偏置電流是單向流動(dòng)。一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)（偏置補(bǔ)償或者電流反饋運(yùn)放）內(nèi)部有不同電流源，對(duì)應(yīng)的偏置電流是雙向流動(dòng)。

??偏置電流在運(yùn)放輸入端外部電阻后產(chǎn)生電壓會(huì)對(duì)使用者造成麻煩，產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。比如對(duì)于一個(gè)同相單位增益緩沖電流，如果信號(hào)源電阻為 1MΩ，那么當(dāng) ? 時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生 10mV 的誤差，對(duì)于任何系統(tǒng)這個(gè)誤差都不能被忽略。或者當(dāng)設(shè)計(jì)者忘記偏置電流這么一回事，使用電容耦合信號(hào)，則電路就跟不能工作。也許在電容開始充電時(shí)電路工作，后面引起錯(cuò)誤輸出。重要的是在任何運(yùn)放電路設(shè)計(jì)中不要忽略 ? 的作用，對(duì)放大電路內(nèi)部也需要時(shí)刻警惕。

二、失調(diào)電流

輸入失調(diào)電流是指兩個(gè)偏置電流 之間的差別， 。如果兩個(gè)偏置電流一開始就匹配時(shí)，失調(diào)電流會(huì)產(chǎn)生影響，比如對(duì)于大多數(shù)電壓負(fù)反饋運(yùn)放電路。如果對(duì)于電流反饋電路，由于偏置電流就根本不匹配，失調(diào)電流也不會(huì)產(chǎn)生太大的影響。 ??在軌到軌輸入端電路設(shè)計(jì)中，由于存在兩個(gè)并行的輸入級(jí)，當(dāng)共模電壓經(jīng)過轉(zhuǎn)換區(qū)域時(shí)，偏置電流會(huì)改變方向，對(duì)于這種器件，偏置和失調(diào)電流相對(duì)難以定義，通常簡(jiǎn)單給出正負(fù)最大范圍。失調(diào)電流的大小通常是偏置電流的十分之一左右。

三、內(nèi)部偏置電流抵消電路

下圖顯示了內(nèi)部提供偏置電流源設(shè)計(jì)，實(shí)際輸入偏置電流是內(nèi)部偏置電流減去三極管偏置電流的差，所以會(huì)非常小。

▲ 圖1.3.1 內(nèi)部帶有偏置電流補(bǔ)償電路雙極性輸入級(jí) ??一些當(dāng)代精密運(yùn)放使用了內(nèi)部偏置電流補(bǔ)償電路，比如大家熟悉的 ?OP07[3] 、 OP27[4] 運(yùn)放系列。下面給出了這種電路的優(yōu)缺點(diǎn)。 ??這種電路的優(yōu)點(diǎn)：

失調(diào)電壓小：小于 10 ? ；

失調(diào)電壓漂移小：小于 ?/℃；

偏置電流溫度穩(wěn)定性好；

偏置電流小：小于 ? ；

電壓噪聲小：小于 ；

電路的缺點(diǎn)：

偏置電流匹配性不好，甚至電流流向會(huì)發(fā)生變化；

電流噪聲大；

對(duì)于高頻電路用途不大；

由于附加了輸入阻抗，會(huì)造成匹配信號(hào)源阻抗困難；

由于輸入端噪聲源包括有輸入三極管基極噪聲電流和補(bǔ)償噪聲電流，它們是不相關(guān)，所以噪聲的能量會(huì)相加。通常情況下偏置電流補(bǔ)償特性在器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)中并沒有給出，在內(nèi)部電路原理圖中也不顯示。可以通過器件的偏置電流指標(biāo)來確認(rèn)是否內(nèi)部具有偏置電流補(bǔ)充電路。如果偏置電流指標(biāo)為 “±” 數(shù)值，通常器件具有偏置電流補(bǔ)償電路。

四、消除偏置電流影響

當(dāng)運(yùn)放的偏置電流很好的匹配（對(duì)于一些雙極性輸入級(jí)，不帶內(nèi)部偏置電流補(bǔ)償電路）的運(yùn)放，可以通過外部輸入匹配電阻 R3 (R3=R1//R2) 來抵消偏置電流的影響，減少了附加的失調(diào)電壓誤差。當(dāng) R3 大于 1kΩ時(shí)，通常需要并聯(lián)一個(gè)電容來降低噪聲。對(duì)于偏置電流不匹配的運(yùn)放，這種外部匹配電阻的使用非但不起作用，有可能會(huì)使誤差變得更糟。

▲ 圖1.4.1 消除偏置電流影響的應(yīng)用電路

五、測(cè)量失調(diào)和偏置電流

下圖給出了測(cè)量偏置電流（或者輸入失調(diào)電壓）的電路。在被測(cè)運(yùn)放的輸入端串聯(lián)一個(gè)電阻 Rs 用于測(cè)量偏置電流 ?IB。偏置電流在串聯(lián)電阻上產(chǎn)生一個(gè)附加的失調(diào)電壓 ? 。如果輸出電壓 ? 在開始的時(shí)候已經(jīng)測(cè)量記錄了，那么 ? 的變化就反應(yīng)了 ? 上的由于 ? 所帶來的電壓變化。當(dāng) ? 被測(cè)量出之后，它們的平均值 就是運(yùn)放的偏置電流。 ??

對(duì)于一些雙極性運(yùn)放， 通常選擇 ? ，對(duì)于 FET 輸入器件， 選擇 1000MΩ。

▲ 圖1.5.1 測(cè)量偏置電流的電路 ??選擇 ? ，電路的輸出 ?

S1 閉合，測(cè)量 ? ；

S2 閉合，測(cè)量 ；

S1，S2 都閉合，測(cè)量 ；

S1，S2 都打開，測(cè)量 ? ；

對(duì)于輸入偏置電流非常小的運(yùn)放，可以采用積分方法進(jìn)行測(cè)量。偏置電流對(duì)電容充電，測(cè)量輸出電壓變化率可以獲得偏置電流的大小。充電電容的漏電流通常使用特氟龍（Teflon）或者 聚丙烯（Polypropylene）電容。對(duì)于 小于 10fA 的器件，這種方法也會(huì)變得困難。

▲ 圖1.5.2 計(jì)分方法測(cè)量偏置電流

S1 打開測(cè)量 ? ;

S2 打開測(cè)量 ? ；

六、參考資料

Hank Zumbahlen, Basic Linear Design, Analog Devices, 2006, ISBN: 0-915550-28-1. Also available as ?Linear Circuit Design Handbook[5] , Elsevier-Newnes, 2008, ISBN-10: 0750687037, ISBN-13: 978-750687034. Chapter 1.

Walter G. Jung, ?Op Amp Applications,[6] ?Analog Devices, 2002, ISBN 0-916550-26-5, Also available as ?Op Amp Applications Handbook[7] , Elsevier/Newnes, 2005, ISBN 0-7506-7844-5. Chapter 1.

參考資料

[1]Op Amp Input Bias Current: https://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-038.pdf

[2]AD549: http://www.analog.com/en/prod/0%2C2877%2CAD549%2C00.html

[3]OP07: http://www.analog.com/en/amplifiers-and-comparators/operational-amplifiers-op-amps/op07/products/product.html

[4]OP27: http://www.analog.com/en/other/militaryaerospace/op27/products/product.html

[5]Linear Circuit Design Handbook: http://www.amazon.com/Linear-Circuit-Handbook-Engineering-Devices/dp/0750687037/ref=pd_bbs_sr_1?ie=UTF8&s=books&qid=1222800065&sr=1-1

[6]Op Amp Applications,: http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/39-05/op_amp_applications_handbook.html

[7]Op Amp Applications Handbook: http://www.amazon.com/Amp-Applications-Handbook-Analog-Devices/dp/0750678445/ref=pd_bbs_sr_1?ie=UTF8&s=books&qid=1222800384&sr=1-1

編輯：黃飛

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