作者：Kevin Scott and Jon Munson

需要低偏置電流放大器

進(jìn)行傳感器測(cè)量時(shí)，使用的傳感器激勵(lì)類(lèi)型差異很大;它可以是直流信號(hào)、交流信號(hào)、電壓源、電流源或脈沖源等等。當(dāng)使用電流源激勵(lì)或使用高阻抗傳感器時(shí)，放大器的偏置電流通常是一個(gè)重要的規(guī)格，因?yàn)楫?dāng)偏置電流流過(guò)外部電阻時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生不希望的電壓誤差項(xiàng)。因此，許多此類(lèi)應(yīng)用通常需要低偏置電流放大器。

如圖 1 所示，其中 LTC6268 500MHz 功放偏置電流 FET 輸入放大器用于將光電流轉(zhuǎn)換為電壓測(cè)量值。理想情況下，光電二極管電流（I帕金森） 將等于反饋電流 （IFB） 和我偏見(jiàn)將為 = 0。在實(shí)際應(yīng)用中，零偏置電流放大器是不現(xiàn)實(shí)的。然而，LTC6268 的 ±3fA 典型偏置電流和 ±4pA 的溫度偏置電流為寬帶寬、低偏置電流放大器設(shè)定了標(biāo)準(zhǔn)。

圖1.我偏見(jiàn)光電二極管信號(hào)調(diào)理應(yīng)用中的錯(cuò)誤。

輸出飽和度

需要低偏置電流放大器的傳感器包括光電二極管、加速度計(jì)、化學(xué)傳感器、壓電或壓阻式壓力傳感器和水聽(tīng)器。如果放大器的輸入過(guò)驅(qū)動(dòng)，使用帶有高阻抗傳感器的低偏置電流放大器可能會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題，從而導(dǎo)致偏置電流增加。發(fā)生這種情況時(shí)，放大器可能會(huì)“卡住”，輸入信號(hào)不再能夠拉低輸出信號(hào)以糾正這種情況。下面的LTC6091緩沖電路就是一個(gè)容易發(fā)生這種情況的示例。LTC?6091 是一款雙通道、140V 精準(zhǔn)放大器，僅具有 50pA 偏置電流 （25°C 時(shí)最大值）、一個(gè)軌至軌輸出擺幅和僅 50μV 的輸入失調(diào)電壓。其共模范圍限制為與電源軌 3V

圖2.LTC6091：飽和輸出可能導(dǎo)致輸入共模違規(guī)。

為了理解發(fā)生了什么，讓我們首先看一下放大器的輸入級(jí)。

圖3.LTC6091 50pA IBIAS放大器輸入級(jí)。

放大器輸入結(jié)構(gòu)

輸入級(jí)由+INA和-INA組成，它們是放大器第一級(jí)N-MOSFET差分對(duì)的柵極。當(dāng)輸出因輸入過(guò)驅(qū)而飽和時(shí)，需要有通過(guò)輸入保護(hù)網(wǎng)絡(luò)的偏置電流，以將輸入充分下拉，以便器件能夠擺脫飽和。然而，高源阻抗一開(kāi)始就無(wú)法提供太多的偏置電流，一旦輸入被過(guò)驅(qū)動(dòng)并且輸出飽和，-INA輸入就可以被上拉，使其現(xiàn)在超過(guò)共模電壓范圍。在這種情況下，差分對(duì)可以關(guān)斷，導(dǎo)致不確定的輸出狀態(tài)。如果不確定狀態(tài)導(dǎo)致輸出保持飽和，則需要額外的偏置電流來(lái)恢復(fù)正常工作。

解決方案

圖4顯示了使用三放大器配置的儀表放大器電路中該問(wèn)題的簡(jiǎn)單解決方案。LTC?6090 是雙通道 LTC6091 的單通道放大器版本，而 LT5400-2 則是一款四通道匹配電阻器網(wǎng)絡(luò)，具有 ±75V 操作、四個(gè) 100kΩ 電阻器和優(yōu)于 0.01% 的電阻匹配。

圖4.10kΩ電阻可防止放大器輸出飽和。

在輸出端增加了兩個(gè)10kΩ電阻，以限制最差情況下的輸出擺幅，并防止反饋電壓超過(guò)放大器的輸入共模范圍。實(shí)證測(cè)試表明，在20MΩ源電阻以上，如果+INA輸入被“卡住”，可能沒(méi)有足夠的偏置電流來(lái)“釋放”+INA輸入。由于源電阻較低，因此在發(fā)生過(guò)驅(qū)事件后，可以針對(duì)必須克服的保護(hù)器件漏電流（即高阻態(tài)輸入源保持控制）下拉+INA輸入。

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審核編輯：郭婷