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运放输入偏置电流详解

news 来源：原创 2025/5/14 12:56:08

1 输入阻抗与输入偏置电路关系

        在选择运放和仪表运放时，经常听到这样的说法：“需要非常高的输入阻抗”，事实上真实如此吗？

        输入阻抗（更确切的说是输入电阻）很少会成为一个重要的问题（输入电容也是输入阻抗的电抗部分，则是另外一回事）。通常，系统最需要的是低输入偏置电流Ib。没错，它们是相关的，但却不同。

        一个简单的单输入模型为电流源（输入偏置电流）和输入电阻器(Rin)的并联组合。电阻导致输入电流随着输入电压而变化，输入偏置电流为特定输入电压（通常为中间电位）下的输入电流。测量输入电阻的方法是一种测量输入电流随着输入电压的变化关系。

图1

        图2显示了输入偏置电流与共模电压关系，可以看到该曲线并不是一条直线。

图2

        OPA320 互补金属氧化物半导体 (CMOS) 运算放大器具有很小的输入偏置电流，这主要来自于其输入静电放电 (ESD) 保护电路的泄漏电流。这些泄漏电流在轨电压附近达到最大。当要求非常低的输入偏置电流时，CMOS 和 JFET 输入放大器通常是理想选择。没错，输入电阻也很高，但在选择放大器时它一般不会是一个重要的考虑因素。

        输入偏置电流对精密模拟电路产生不利影响的方式有几种。流过某个电源电阻或者反馈网络电阻后，它会将Ib转换为对应电压Ib*Rs。通过某些传感器和化学电池（例如 pH 探针）时，它可能会极化该电极，从而产生误差，甚至造成永久性损坏。输入偏置电流将对积分电路的电容器充电，形成一个在零输入时存在电压输出现象。

2 CMOS 和 JFET 放大器的输入偏置电流

        由于互补金属氧化物半导体 (CMOS) 和结型 FET (JFET) 输入运算放大器具有较低的输入偏置电流 (IB)，因此人们经常选择使用它们。

        CMOS 晶体管的栅极（CMOS 运算放大器的工作输入）具有极低的输入电流。但是，必须使用附加的电路来保护这些脆弱的栅极不受静电放电 (ESD) 和电气过载 (EOS) 影响，该附加电路是输入偏置电流的主要来源。该保护通常包含连接到电源轨的内部钳位二极管。OPA320 是一个示例，如图3a中所示。这些二极管具有大约几皮安的微小泄漏电流。当输入电压大约达到中位电压轨时，其泄漏电流匹配的相当好，仅仅会存在小于 1pA 的残余差分电流，该电流显示为放大器输入偏置电流。

        当输入电压接近电源轨时，两个二极管泄漏电流之间的关系会发生变化。接近底部轨时，例如，D2 的反相电压接近零，其泄漏电流会减小。D1 的泄漏电流起决定作用，从而导致更高的输入偏置电流流出输入端子。当然，当输入接近正电源轨时，会发生相反的情况。在中点指定和测试输入偏置电流，此时泄漏电流几乎匹配并且非常低。结果是变化的输入电压相对应的输入偏置电流，如图 3b 中所示。对于任何给定的单元，都存在一个使输入偏置电流为零的输入电压（假设没有显著的封装或电路布局泄漏）。       

图3

        实际上，利用轨至轨运算放大器，通常可以对输入进行自偏置（图4）；输出将会漂移至等于零输入偏置电流点的电压。这是一个有趣的实验，但却并非是一个特别有用的电路。

图4

3 温度对输入偏置电流的影响

        上文提到互补金属氧化物半导体 (CMOS) 和结型FET (JFET) 放大器中输入偏置电流来自一个或多个反向偏置 P-N 结的泄漏电流。PN 结的反向偏置泄漏电流有很强的正温度系数，温度每升高
10°C，泄漏电流大约增大一倍。这种指数增长使得漏电流快速增加，如图5中的归一化图所示。在 125°C，泄漏电流相对室温值增长了约 1,000 倍。

图5

4 输入偏置电流消除

        一种“好的做法”添加 Rb，从而使其值等于 R1 和 R2 的并联组合，解下来讨论使用该电阻器的原因，并考虑它何时适于使用以及何时不适于使用。

图6 

        Rb 的目的是降低输入偏置电流引起的电压失调。如果两个输入具有相同的输入偏置电流，那么流过相同电阻的相同电流便会形成大小相等但方向相反的失调电压。因此，输入偏置电流不会增加电路的失调电压。这种基本想法在某些情况下有优点。若输出失调电压较大时，因偏置电流引起的失调电压较小时，可不用进行消除。

        Rb 产生的热噪声以及该高阻抗节点可能引入的外部噪声可能是不使用 Rb 的其他原因。输入偏置电流的误差最小，为什么要为电路添加潜在的噪声呢？

5 双极性运算放大器的内部输入偏置电流消除

        上面讨论了如何在运算放大器的两个输入端使用输入偏置电流消除电阻器来平衡电源电阻。结论是，该做法通常是不必要的，甚至可能是有害的。

        该做法对于某些运算放大器而言是绝对不值得推荐的：具有双极性输入晶体管的放大器（具有内部输入偏置电流消除功能）。其电流源 I1 和 I2 为输入晶体管对提供基极电流（图 7）。这些电流是通过小心地将匹配的基极电流镜像到运算放大器输入端子获取的。
        尽管这些电流与输入晶体管的基极电流精确匹配（误差通常在几个百分点以内），但它们并不完美。它们会留下微小的残余输入偏置电流，该电流可能为正，也可能为负。两个输入端子上的残余电流可能大相径庭。它们甚至可能具有相反的极性。
        匹配电源电阻所带来的任何可能的好处依赖于近乎匹配的输入偏置电流。内部输入偏置电流消除使得该做法是无用的。

图7 

         哪些运算放大器具有输入偏置电流消除功能？数据表有时不能明显地指示这一点。不过，输入偏置电流规格的详细信息通常会揭示这些效果。

        图 8a 显示了具有输入偏置电流消除功能的低噪声运算放大器OPA209 的输入偏置电流规格。请注意，输入偏置电流前面有 ±符号，表示该电流能够按任一方向流动。此外，还要注意，输入失调电流的规格具有与输入偏置电流相同的数量级（在该运算放大器上实际上是完全相同的）。这些规格揭示了该器件具有内部输入偏置电流消除功能。
        图 8b 显示了 OPA209 的假定规格，假设它不具有偏置电流消除功能。请注意大得多的输入偏置电流的情况。现在，输入失调电流比输入偏置电流小得多，因为两个输入偏置电流几乎是相同的。根据电路和应用，该假定的运算放大器或许能够通过使用偏置电流消除电阻器而获益，如图 7中所示。

        内部输入偏置电流消除功能通常存在于精密和低噪声运算放大器中，这些放大器具有来自双极性结型晶体管 (BJT) 的输入 – 如果没有该功能，这些放大器可能具有很高的输入偏置电流，这是很不利的。内部消除使得这些放大器能够在更大范围的电路中发挥作用。

图8

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