偏置电流,失调电流定义
运放除了输入失调电压外,正常工作的时候,始终存在不为零的静态流进电流,如图所示:
对于BJT组成输入级的运放,这个电流就是差动输入级晶体管的基极电流IBQ,没有它,差动输入级晶体管就没有合适的工作点,因此,对于BJT组成输入级的运放,此值是不小的。对于场效应管组成输入级的运放,这个电流是输入级晶体管的门极静态漏电流,该值是非常小的。
如果将流入同相端的电流用lb+表示,流入反相端的电流用lb-表示,
偏置电流定义:lb=(lb++lb-)/2,失调电流定义:los=lb+-lb-
偏置电流产生原因
内部不同构造的管子,运放的偏置电流是不一样的,如下图所示:
不同输入级构造的运放偏置电流差异是比较大的。
下图是不同管子内部构造图
CMOS的温漂比较严重,偏置电流在温度最高时相对于典型值有几百倍甚至上千倍,温漂非常高(有些CMOS输入级运放是经过特殊处理的),而BJT温漂相对比较小,最高温度时相对典型值也就2-3倍左右。
温度影响PN结的反向漏电流
BJT构造的运放输入级受温度影响比较小的原因是
BJT构造的运放输入级的底部有一个恒流源,所以运放输入级的两个晶体管的IC电流不会受温度影响太多,最终也会使偏置电流IB比较稳定。
偏置电流的影响因素
正常工作的运放,其偏置电流流并不是固定的,芯片手册给出的数据是特定条件下的测量值,偏置电流主要受到温度,共模电压的影响。多数情况下,温度越高,偏置电流越大。共模电压是指实际工作时,两个输入端的共模电压,它对偏置电流的影响,随运放的不同而不同,可以通过数据手册获得
图中标注IB就是LM2904的输入偏置电流,典型值为-20nA,los为输入失调电流,典型值为2nA。失调电流是偏置电流的十分之一,说明这个放大器同相和反相端的电流还是比较接近的。
共模电压和温度对输入偏置电流,输入输入失调电流的影响
输入失调电流
一般来讲,输入偏置电流与输入失调电流维持在一个数量级,BJT组成运放,特别是高速运放,偏置电流可能大到几十uA,对于高阻型的精密运放,偏置电流可以小到几十fA,两者相差倍数较大。是由于输入级管子的差异形成输入失调电流。
偏置电流如何引起误差
输入VIN=0时,不论是同相还是反相放大电路,都化简成下面电路
不考虑输入失调电压的影响,通过虚短可以计算出:
Ib是偏置电流,IOS是输入失调电流,通过VO的表达式,可以看出引起的误差。
显然,我们希望VO越小越好,从上面表达式中可以知道,如果Rp的阻值为R1和R2的并联阻值,即Rp=R1*R2/(R1+R2),表达式中第一项为0,那么我们可以消掉lb的影响。
我们称Rp为平衡电阻
Rp不是电路所必须的,要考虑电路应用情况,有时候加了引起的干扰会更大,有的运放的偏置电流非常小,偏置电流引起的误差远小于失调电压,有可能偏置电流引起的误差比电阻噪声还要小。
有些运放的偏置电流与失调电流的相差不大,所以增加平衡电阻的效果也不是很明显
Rp平衡电阻的影响
通常情况下,输入偏置电流IB是大于输入失调电流的,因此加上平衡电阻,是可以降低影响的,比如说TI的通用放大器LM2904,取其最大值其偏置电流lb=50nA,失调电流los=5nA,二者相差10倍。
假如反馈电阻R1=100K
那么没有平衡电阻时: vo最差无=R1+/b+R1*los/2=100K*50nA+100K*5nA/2=5.25mV.
有平衡电阻时: Vo最差有=R1*los=100K*5nA=0.5mV。
可以看到,加了这个平衡电阻效果还是很明显的。
输入偏置电流和输入失调电流的值差别不是很大,OPA328其偏置电流lb=10pA,失调电流los=10pA
那么没有平衡电阻时: vo最差无=R1*Ib+R1*Ios/2=100K*10pA+100K*10pA/2=1.5uV
有平衡电阻时: Vo最差有=R1*los=100K*10pA=1uV。
影响不是很大
相比于输入失调电压带来的的误差,偏置电流引起的误差微乎其微,另外电阻是有热噪声的,有时候加了平衡电阻可能会带来负面影响。
快速评估是否需要平衡电阻
快速估算是否需要平衡电阻,TI官方给出了一些解释,如下
大意就是,把偏置电流在平衡电阻上的压降等同于偏置电流引起的输入失调电压大小。如果这个电压的失调比运放本身的失调电压小很多,那就没必要去添加电阻。
总结
降低输出失调电压有三点∶选择输入失调电压Vos小的芯片;选择输入偏置电流le小的芯片;选择小的外部电阻。
以上三点可以解决绝大多数问题。仍不能满足设计要求时,才可以考虑匹配电阻抵消的方法︰选择失调电流小的芯片,或者利用已经选好的芯片的失调电流较小的特点,利用外部电阻的匹配,使得RMATCH=RellRp,将偏置电流带来的影响减至最小。
还需要注意的是
输入失调电压,两个运放端子输入偏置电流,输入失调电流,都是以直流的形式存在,注意应该让其形成回路,当运放输入端加高频信号添加电容的时候应该需要注意这个问题。