運(yùn)放電路中偏置電流補(bǔ)償電阻起到什么作用

本篇文章開始前，先出2道題考考大家，可以帶著問題閱讀文章。

1）下圖中的電阻Rb是什么作用？

2）在運(yùn)放電路中，何時(shí)加入Rb呢？

*答案見文末*

在解釋Rb的作用前，必須要清楚運(yùn)放的兩個(gè)參數(shù)：偏置電流Ib （Bias Current）與輸入失調(diào)電流Ios（Offset Current），Rb和這兩個(gè)參數(shù)緊密相關(guān)。? 什么是偏置電流Ib 與輸入失調(diào)電流Ios？通常情況將放大器的同相輸入端與反相輸入端的輸入電流的平均值作為偏置電流Ib。在實(shí)際的放大器中，通常輸入級(jí)為差分輸入對(duì)管結(jié)構(gòu)的就是電壓反饋型放大器電路如圖 1（a）所示，其兩個(gè)輸入腳IN1和IN2就存在偏置電流。電流反饋型放大器不是差分輸入對(duì)管結(jié)構(gòu)，如圖 1（b）所示，以BJT輸入級(jí)電流反饋型放大器為例其同相端為基極輸入，反相端為射極輸出。電流反饋型放大器的輸入級(jí)決定了其直流指標(biāo)相對(duì)較差，通常不運(yùn)用于直流或者低頻放大電路。

圖1 電壓反饋型與電流反饋型輸入級(jí)拓?fù)? 影響偏置電流大小的主要因素是輸入級(jí)的類型。通常BJT型放大器輸入級(jí)的偏置電流較大，由于需要從輸入端提供Ib電流給輸入級(jí)的BJT的基極，通常其偏置電流在nA~uA級(jí)別。CMOS與FAT型的放大器其輸入偏置電流一般較小，這種類型的放大器由于絕緣柵漏電流極小，其偏置電流的來源主要是輸入級(jí)的鉗位二極管的漏電流，通常為pA~fA級(jí)別。對(duì)于高阻抗的傳感器或者是信號(hào)源需要選擇偏置電流小的放大器，比如1Mohm輸出阻抗的信號(hào)源如果用偏置電流為100nA的放大器，那么就會(huì)產(chǎn)生1Mohm*100nA = 100mV 的電壓。因此在放大高輸出阻抗信號(hào)時(shí)候應(yīng)該優(yōu)先考慮使用FAT型運(yùn)放，它的偏置電流更小而且輸入阻抗比BJT型放大器更大。

圖2 JFET輸入型的放大器ADA4622的參數(shù)表

圖3 BJT型輸入級(jí)放大器ADA4807的電流參數(shù)表

? 輸入失調(diào)電流是放大器的兩個(gè)輸入端的電流的偏差。導(dǎo)致輸入失調(diào)電流的主要原因是由于放大器輸入級(jí)差分對(duì)不完全匹配。同時(shí)溫度也會(huì)影響放大器的輸入偏置電流，采用溫漂（Input Offset Current Drift）來描述這個(gè)參數(shù)，表示的是溫度每升高1度輸入級(jí)電流的變化量。? 消失的偏置電流補(bǔ)償電阻

圖4 帶偏置電流補(bǔ)償電阻的基本放大電路運(yùn)放設(shè)計(jì)電路中，大家會(huì)經(jīng)常見到在放大器輸入端添加一個(gè)偏置電流補(bǔ)償電阻Rb，并且使得Rb=R1//R2。我們接下來分析Rb的作用以及是否真的需要它。以同相放大為例，流入反相端的電流在R1//R2上產(chǎn)生的壓降為Vos1=Ibn*（R1//R2） ，那么由于添加了Rb電阻，所以在同相端上由于偏置電流產(chǎn)生的電壓為Vos2=Ibp*Rb。當(dāng)滿足Rb=R1//R2時(shí)，對(duì)于放大器的同相端和反相端而言，由于偏置電流在電阻上產(chǎn)生的電壓就相等。因此采用引入Rb的方法消除了Ib的影響。這種方式在應(yīng)對(duì)某些“老款”的放大器是適用的。同時(shí)也應(yīng)該避免定式思維，在添加Rb電阻之前應(yīng)該考慮是否需要這個(gè)電阻，以圖 2中的ADA4622為例，在極限情況下其偏置電流最大為1.5nA，如果使用的電阻有R1//R2=1k那么由于偏置電流產(chǎn)生的電壓為1.5uV，因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)候需要考慮這1.5uV的直流偏置是否會(huì)對(duì)感興趣的信號(hào)產(chǎn)生影響。

圖5 內(nèi)部電流源提供偏置現(xiàn)在的精密雙極性放大器的輸入級(jí)通常會(huì)在內(nèi)部做偏置補(bǔ)償電流源。如圖 5所示通過電流源IS2與IS3為BJT提供偏置電流從而減小從輸入腳抽取的電流。此時(shí)偏置電流主要為電流源IS2/IS3與BJT所需要的偏置電流之間的差值，因此這個(gè)偏置電流可能為流入放大器的輸入腳，也可能從放大器同反相輸入腳流出。通常通過偏置電流補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)放其偏置電流與失調(diào)電流的數(shù)量級(jí)相當(dāng)。所以，現(xiàn)在很多運(yùn)放電路中不會(huì)使用偏置電流補(bǔ)償電阻。

由于偏置電流補(bǔ)償?shù)姆糯笃饕泊嬖谄秒娏?，因此在使用這種放大器設(shè)計(jì)電路時(shí)也需要為它設(shè)計(jì)偏置回路?？偨Y(jié)一個(gè)通用的規(guī)則是在設(shè)計(jì)放大電路的時(shí)候要特別小心，要為放大器提供一個(gè)偏置回路。如圖 6 （a） 所示為錯(cuò)誤接法，同相端為交流耦合，沒有為同相端提供偏置回路。正確的使用方法應(yīng)該如圖 6（b）所示通過電阻R7為同相端提供偏置回路。

圖6交流耦合同相放大電路? 因此總結(jié)上述的內(nèi)容，我們來回答文章開始前的2道題。

1）電阻Rb是什么作用？

添加Rb的作用是減小由于偏置電流在R1//R2上產(chǎn)生的壓降，從而減小引入到輸入端的誤差。

2）在運(yùn)放電路中，何時(shí)加入Rb呢？

當(dāng)我們?cè)谂袛嗍欠裥枰褂肦b電阻進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，應(yīng)該先查閱對(duì)應(yīng)芯片的datasheet中關(guān)于偏置電流與失調(diào)電流的描述。

a） 如果偏置電流與失調(diào)電流數(shù)量級(jí)相當(dāng)，那么引入Rb電阻將沒有實(shí)質(zhì)效果甚至還會(huì)由于在輸入端傳入了電阻會(huì)帶來熱噪聲。

b） 如果偏置電流明顯大于失調(diào)電流，那么需要計(jì)算在當(dāng)前電路拓?fù)渲衅秒娏鳟a(chǎn)生的直流誤差是否足以影響到我們關(guān)心的信號(hào)的精度。

附運(yùn)算放大器的參數(shù)定義：

1.共模輸入電阻（RINCM），表示運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)，輸入共模電壓范圍與該范圍內(nèi)偏置電流的變化量之比。

2.直流共模抑制（CMRDC），用于衡量運(yùn)算放大器對(duì)作用在兩個(gè)輸入端的相同直流信號(hào)的抑制能力。

3.交流共模抑制（CMRAC），衡量運(yùn)算放大器對(duì)作用在兩個(gè)輸入端的相同交流信號(hào)的抑制能力，是差模開環(huán)增益除以共模開環(huán)增益的函數(shù)。

4.增益帶寬積（GBW），主要是針對(duì)電壓反饋型放大器，描述的是增益與帶寬的乘積，基本為一個(gè)定值。

5.輸入偏置電流（IB），該參數(shù)指運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)流入輸入端的平均電流。

6.輸入偏置電流溫漂（TCIB），代表輸入偏置電流在溫度變化時(shí)產(chǎn)生的變化量。TCIB通常以pA/°C為單位表示。

7.輸入失調(diào)電流（IOS），指流入兩個(gè)輸入端的電流之差。

8.輸入失調(diào)電流溫漂（TCIOS），代表輸入失調(diào)電流在溫度變化時(shí)產(chǎn)生的變化量。TCIOS通常以pA/°C為單位表示。

9.差模輸入電阻（RIN），輸入電壓的變化量與相應(yīng)的輸入電流變化量之比，電壓的變化導(dǎo)致電流的變化。在一個(gè)輸入端測(cè)量時(shí)，另一輸入端接固定的共模電壓。

10.輸出阻抗（ZO），是指運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)，輸出端的內(nèi)部等效小信號(hào)阻抗。

11.輸出電壓擺幅（VO），輸出信號(hào)不發(fā)生箝位的條件下能夠達(dá)到的最大電壓擺幅的峰峰值，VO一般定義在特定的負(fù)載電阻和電源電壓下。

12.功耗（Pd），器件在給定電源電壓下所消耗的靜態(tài)功率，Pd通常定義在空載情況下。

13.電源抑制比（PSRR），衡量在電源電壓變化時(shí)運(yùn)算放大器保持其輸出不變的能力，PSRR通常用電源電壓變化時(shí)所導(dǎo)致的輸入失調(diào)電壓的變化量表示。

14.轉(zhuǎn)換速率/壓擺率（SR），指輸出電壓的變化量與發(fā)生這個(gè)變化所需時(shí)間之比的最大值。SR通常以V/s，V/ms和V/μs為單位表示，有時(shí)也分別表示成正向變化和負(fù)向變化。

15.電源電流（ICC、IDD），在指定電源電壓下器件消耗的靜態(tài)電流，這些參數(shù)通常定義在空載情況下。

16.單位增益帶寬（BW），該參數(shù)指開環(huán)增益大于1時(shí)運(yùn)算放大器的最大工作頻率。

17.輸入失調(diào)電壓（VOS），該參數(shù)表示使輸出電壓為零時(shí)需要在輸入端作用的電壓差。

18.輸入失調(diào)電壓溫漂（TCVOS），指溫度變化引起的輸入失調(diào)電壓的變化，通常以μV/℃為單位表示。

19.輸入電容（CIN），表示運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)任何一個(gè)輸入端的等效電容（另一輸入端接地）。

20.輸入電壓范圍（VIN），運(yùn)算放大器正常工作（可獲得預(yù)期結(jié)果）時(shí)，所允許的輸入電壓的范圍，VIN通常定義在指定的電源電壓下。

21.輸入電壓噪聲密度（eN），對(duì)于運(yùn)算放大器，輸入電壓噪聲可以看作是連接到任意一個(gè)輸入端的串聯(lián)噪聲電壓源，eN通常以 nV / 根號(hào)Hz 為單位表示，定義在指定頻率。

22.輸入電流噪聲密度（iN），對(duì)于運(yùn)算放大器，輸入電流噪聲可以看作是兩個(gè)噪聲電流源，連接到每個(gè)輸入端和公共端，通常以 pA / 根號(hào)Hz 為單位表示，定義在指定頻率。

審核編輯：郭婷