輸入偏置電流是通常被忽略的放大器參數(shù)，會(huì)對(duì)放大器電路的輸出精度產(chǎn)生重大影響。有時(shí)影響很小，可以忽略不計(jì)，但有時(shí)可能導(dǎo)致電路完全失效。為諸如電流檢測(cè)或傳感器接口之類的精密應(yīng)用設(shè)計(jì)的工程師應(yīng)注意輸入偏置電流的影響，以確保設(shè)計(jì)可靠。

通常，精密應(yīng)用中想到的關(guān)鍵參數(shù)是輸入失調(diào)電壓，失調(diào)漂移和CMRR。那么當(dāng)放大器輸入通常被認(rèn)為是高阻抗時(shí)，輸入偏置電流因數(shù)又如何呢？簡(jiǎn)單的答案是，輸入偏置電流會(huì)在其路徑中的任何電阻上產(chǎn)生實(shí)質(zhì)上是寄生電壓的效應(yīng)，放大器會(huì)放大這種效應(yīng)。

輸入偏置電流的定義

首先，讓我們看一下輸入偏置電流的含義。理想的運(yùn)算放大器（運(yùn)放）沒有任何電流流入其輸入端子。但是現(xiàn)實(shí)生活中的運(yùn)放卻可以。數(shù)據(jù)手冊(cè)中的輸入偏置電流（IIB）規(guī)范量化了這種非理想電流。輸入偏置電流會(huì)在輸入端產(chǎn)生額外的失調(diào)電壓降，從而在輸出端導(dǎo)致失調(diào)誤差。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用程序，此錯(cuò)誤可以忽略不計(jì)，但是在某些情況下需要考慮這一錯(cuò)誤。

從歷史上看，運(yùn)算放大器是用雙極結(jié)型晶體管（BJT）制成的。對(duì)于雙極性運(yùn)算放大器，例如LM324，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)，電流從輸入晶體管流出，如圖1所示為雙極放大器的簡(jiǎn)化PNP輸入級(jí)。在軌至軌輸入雙極性運(yùn)算放大器的情況下，將使用額外的NPN輸入對(duì)，電流將流入NPN輸入級(jí)。

圖1雙極型運(yùn)放的簡(jiǎn)化輸入階段演示了輸入偏置電流如何改變放大器的輸出。

但是，當(dāng)今大多數(shù)新型放大器都使用CMOS晶體管。使用MOSFET，柵極與傳導(dǎo)通道物理隔離，以創(chuàng)建真正高阻抗的輸入。這些類型的放大器沒有實(shí)際的輸入偏置電流。然而，這些放大器的數(shù)據(jù)手冊(cè)上仍使用輸入偏置電流參數(shù)。在這種情況下，CMOS放大器的所謂輸入偏置電流主要來自ESD結(jié)構(gòu)，保護(hù)二極管和/或寄生結(jié)。結(jié)果，諸如NCS20071之類的CMOS放大器將比雙極放大器具有更低的輸入偏置電流。對(duì)于CMOS運(yùn)算放大器，根據(jù)條件的不同，輸入偏置電流可以有正向或負(fù)向流動(dòng)。圖2顯示了具有PMOS輸入的CMOS運(yùn)算放大器的典型簡(jiǎn)化輸入級(jí)。

圖2CMOS運(yùn)算放大器輸入級(jí)的簡(jiǎn)化輸入級(jí)顯示了泄漏如何充當(dāng)輸入偏置電流。

CMOS運(yùn)算放大器中的每個(gè)輸入引腳都有自己的輸入偏置電流，IN +和IN-引腳可能具有不同的輸入偏置電流值。數(shù)據(jù)表可以通過輸入引腳之一指定IIB電流，方法是將其標(biāo)記為IIB +表示IN +，或IIB-表示IN-。然后，將兩個(gè)輸入電流之間的數(shù)學(xué)差稱為輸入失調(diào)電流IOS。

在任何給定的數(shù)據(jù)表上，輸入偏置電流的流向都不總是確定的-數(shù)據(jù)表限制可能僅顯示絕對(duì)值-因此電流可能流入或流出引腳。除非另有說明，否則，假定IIB和IOS是絕對(duì)值。電流也可能改變。圖3顯示了NCS20071輸入共模電壓變化時(shí)輸入偏置電流的變化情況。

圖3輸入偏置電流（IIB）和輸入失調(diào)電流（IOS）將隨運(yùn)放所施加的共模電壓而變化。

輸入偏置電流效應(yīng)

這些輸入偏置電流會(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IIB流經(jīng)該電阻并增加一個(gè)失調(diào)。例如，考慮圖4所示的示意圖。在IIB= 10 nA的電壓跟隨器電路（也稱為單位增益緩沖電路）中輸入1MΩ的電阻會(huì)在電阻兩端產(chǎn)生額外的10 mV壓降，從而導(dǎo)致10mV的輸出誤差。

圖4輸入偏置電流在該單位增益電路中產(chǎn)生電壓偏移。

為了消除由IIB產(chǎn)生的任何失調(diào)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看到的輸入電阻，如圖5所示。但是，如果偏置電流不匹配，則產(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)生的失調(diào)電壓會(huì)導(dǎo)致輸出誤差，并且在測(cè)量非常小的輸入信號(hào)的精密應(yīng)用中會(huì)引起關(guān)注。

圖5如果兩個(gè)輸入端子具有相同的輸入偏置電流和最小的輸入失調(diào)電流，則輸入電阻匹配可以減小輸入偏置電流的影響。

電流檢測(cè)放大器的注意事項(xiàng)

專用電流檢測(cè)放大器是要考慮的特殊情況。許多電流檢測(cè)放大器具有專門的架構(gòu)，例如NCS210R，其允許輸入高于電源電壓。盡管這對(duì)于許多應(yīng)用是有利的，但由于前面討論的原因，它要求電路汲取增加的輸入電流（在幾十微安的范圍內(nèi)），從而使電路對(duì)外部輸入電阻特別敏感。圖6演示了這一點(diǎn)，其中允許擴(kuò)展共模范圍的“附加電路”產(chǎn)生了以紅色文字表示的大輸入偏置電流。在該電路中增加大的外部電阻器意味著輸入偏置電流將在每個(gè)電阻器上產(chǎn)生更大的電壓。

圖6電流檢測(cè)放大器的偏置電流很大，因此外部電阻最多應(yīng)保持在10Ω

采用這種架構(gòu)，輸入偏置電流僅對(duì)外部電阻有效。內(nèi)部電阻R1和R3沒有我IB在它們之間流動(dòng)。由于差動(dòng)放大器的標(biāo)準(zhǔn)增益方程式假設(shè)流經(jīng)外部和內(nèi)部電阻器的電流相同，因此增益與預(yù)期值會(huì)有些失真。結(jié)果，標(biāo)準(zhǔn)方程式僅變?yōu)樗迷鲆娴慕浦担缃频忍?hào)所示：

外部電阻器還抵消了內(nèi)部增益電阻器的精確比率匹配所產(chǎn)生的高增益精度。這種類型的電流檢測(cè)放大器架構(gòu)依賴于內(nèi)部電阻器之間的比率來設(shè)置增益，而不是依賴于電阻器的絕對(duì)精度。即使所有內(nèi)部電阻都比標(biāo)稱值高+ 10％，比率匹配也意味著增益將在數(shù)據(jù)手冊(cè)的±1％增益誤差規(guī)格范圍內(nèi)。外部電阻即使精度很高，也可能使整個(gè)比率匹配失效。這意味著添加輸入電阻器實(shí)際上會(huì)產(chǎn)生復(fù)合效果，由于電阻器比率不匹配以及由于IIB造成增益誤差，這已在上一段中進(jìn)行了討論。

在這些錯(cuò)誤之上，額外的失調(diào)電壓誤差是由于由我創(chuàng)建OS作為最近安森美半導(dǎo)體應(yīng)用工程案例，演示。該客戶是一名工程師，他想通過在高端電流檢測(cè)電路中與NCS210R的輸入串聯(lián)添加1kΩ電阻來定制電流檢測(cè)放大器的增益，其原理圖如圖7所示。但是結(jié)果卻不是客戶期望的。實(shí)際調(diào)整后的增益為167 V / V，而不是NCS210的標(biāo)準(zhǔn)200 V / V增益，為簡(jiǎn)單起見，假設(shè)理想電阻和標(biāo)準(zhǔn)增益方程式計(jì)算得出。

圖7輸入偏置電流的差異將導(dǎo)致輸入失調(diào)電流IOS。加上外部電阻，將增加的輸入失調(diào)電壓（以VIN表示）添加到公式中，產(chǎn)生的誤差大于僅輸入失調(diào)電壓。

由于增加了外部電阻，該IOS有這樣抵銷甚至內(nèi)部偏移電壓，V一顯著效果OS。NCS210R的典型輸入失調(diào)電流為IOS= 0.1 μA，如數(shù)據(jù)手冊(cè)所述。該電流在放大器的輸入端增加了1kΩx±0.1 μA =±100 μV的誤差（典型值）。在這種情況下，典型的輸入失調(diào)電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)甚至大于產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)中列出的最大輸入失調(diào)電壓VOS=±35 μV的輸入失調(diào)。這兩個(gè)輸入失調(diào)電壓實(shí)際上都乘以增益，并作為誤差加到輸出上。

盡管客戶的設(shè)計(jì)人員可能會(huì)因VOS產(chǎn)生±6 mV的輸出誤差，但他們忽略了IOS會(huì)增加至少±17 mV的附加輸出誤差這一事實(shí)。如果IOS大于數(shù)據(jù)手冊(cè)中指出的典型值，則該錯(cuò)誤會(huì)變得更大。

解決客戶問題的方法非常簡(jiǎn)單。如果NCS210R的200 V / V的標(biāo)準(zhǔn)增益對(duì)于他們的應(yīng)用來說太高了，他們將需要使用100 V / V版本的放大器（NCS214R），而無需添加任何外部電阻。這種缺席將消除IOS的任何錯(cuò)誤。然后，它們將必須相應(yīng)地增加檢測(cè)電阻器的值，??以在輸出端保持相同的電壓，這也將減少由于輸入失調(diào)電壓而導(dǎo)致的總誤差。這里的權(quán)衡是，當(dāng)其值增加時(shí)，在檢測(cè)電阻上會(huì)損失更多的功率。

使用具有此架構(gòu)的電流檢測(cè)放大器時(shí)要記住的關(guān)鍵點(diǎn)是：只要在電流檢測(cè)放大器中未添加外部電阻，本征IIB和IOS就不會(huì)產(chǎn)生有害影響！

精密運(yùn)算放大器的注意事項(xiàng)

對(duì)于需要特定增益值的電流檢測(cè)應(yīng)用來說，該增益值在集成電流檢測(cè)放大器中不容易獲得，一種可能的解決方案是精密運(yùn)算放大器，例如NCS21911。為了執(zhí)行電流檢測(cè)功能，可以將精密運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)為具有外部增益網(wǎng)絡(luò)的差動(dòng)放大器。這種方法的挑戰(zhàn)是要在增益網(wǎng)絡(luò)中的電阻之間實(shí)現(xiàn)足夠的匹配，以建立所需的增益精度和CMRR。所需的精密匹配電阻器可能很昂貴。但是，在具有非常特定的增益要求的應(yīng)用中，該解決方案可以潛在地減少由輸入偏置電流產(chǎn)生的誤差。

重要的是要注意，精密放大器可以具有自己獨(dú)特的輸入偏置電流特性。精密放大器中常用的零漂移架構(gòu)是通過定期對(duì)輸入進(jìn)行采樣并對(duì)其進(jìn)行校正來實(shí)現(xiàn)的。結(jié)果，由于電容器和開關(guān)上的電荷注入和時(shí)鐘饋通，輸入端會(huì)出現(xiàn)電流尖峰。在我IB數(shù)據(jù)表上列出的是一個(gè)平均DC值，但那里有電流尖峰。在這種情況下，不建議使用非常大的外部輸入電阻。如果需要，可以添加一個(gè)截止頻率低于斬波頻率的簡(jiǎn)單RC濾波器，以最大程度地減小電壓尖峰。這種固有的行為限制了零漂移放大器不能用作跨阻放大器。但是，零漂移放大器仍然是電流檢測(cè)應(yīng)用的可靠選擇。

結(jié)論

對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，輸入偏置電流通常不被視為重要參數(shù)。即使這樣，在某些情況下它的確會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生重大影響，并且了解它對(duì)于成功設(shè)計(jì)至關(guān)重要。通過了解輸入偏置電流如何產(chǎn)生額外的輸入失調(diào)電壓因數(shù)，電路設(shè)計(jì)人員可以了解如何為精密應(yīng)用確保最佳精度。

關(guān)于作者

Farhana Sarder是安森美半導(dǎo)體的應(yīng)用工程師。她以模擬電路設(shè)計(jì)為背景，專門研究放大器產(chǎn)品，包括精密運(yùn)算放大器，電流檢測(cè)放大器和比較器。她擁有電氣工程碩士學(xué)位。

編輯：hfy