為什么需要低偏置電流放大器

進(jìn)行傳感器測(cè)量時(shí)，所用傳感器激勵(lì)的類型差別很大，可能是 DC 信號(hào)、AC 信號(hào)、電壓源、電流源或脈沖源等等，不一而足。使用電流源激勵(lì)或使用高阻抗傳感器時(shí)，放大器的偏置電流常常是一個(gè)重要規(guī)格，因?yàn)樵谄�置電流流�?jīng)外部電阻時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不想要的電壓誤差項(xiàng)。由于這個(gè)原因，在很多這類應(yīng)用中，常常需要低偏置電流放大器。

圖 1 顯示了這一點(diǎn)，圖中用 500MHz、毫微微安培偏置電流、FET 輸入放大器 LTC6268 將光電流轉(zhuǎn)換成電壓測(cè)量值。理想情況下，光電二極管的電流 (IPD) 等于反饋電流 (IFB)，IBIAS = 0。事實(shí)上，零偏置電流放大器是不現(xiàn)實(shí)的。不過(guò)，LTC6268 的 ±3fA 典型偏置電流和 ±4pA 過(guò)熱偏置電流為寬帶、低偏置電流放大器樹(shù)立了標(biāo)準(zhǔn)。

圖1：光電二極管信號(hào)調(diào)理應(yīng)用中的 IBIAS 誤差

輸出飽和

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以及水聽(tīng)器。使用低偏置電流放大器和高阻抗傳感器時(shí)，如果放大器的輸入過(guò)驅(qū)動(dòng)，可能導(dǎo)致偏置電流增大，這會(huì)引起問(wèn)題。偏置電流增大后，放大器可能會(huì)“卡住”，輸入信號(hào)不再能拉低輸出信號(hào)，無(wú)法糾正這種情況。圖 2 中的 LTC6091 緩沖器電路就是一個(gè)很容易發(fā)生這種情況的例子。LTC6091 是一款雙輸出、140V 高精確度放大器，具僅為 50pA 偏置電流 (在 25°C 時(shí)的最大值)、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相差 3V。為了理解所發(fā)生的情況，我們先來(lái)看看放大器的輸入級(jí)，如圖 3 所示。

圖 2：LTC6091：飽和輸出有可能導(dǎo)致違反輸入共模規(guī)格

圖 3： 50pA IBIAS 放大器 LTC6091 的輸入級(jí)

放大器輸入級(jí)架構(gòu)

輸入級(jí)由 +INA 和 –INA 組成，這是放大器第一級(jí) N-MOSFET 差分對(duì)的柵極。輸入過(guò)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致輸出飽和時(shí)，就需要偏置電流通過(guò)輸入保護(hù)網(wǎng)絡(luò)去充分拉低輸入，這樣該器件就能夠脫離飽和狀態(tài)。不過(guò)，高源阻抗起初無(wú)法提供很大的偏置電流，一旦輸入過(guò)驅(qū)動(dòng)、輸出飽和， –INA 輸入就可能被拉高，超出共模電壓范圍。在這種情況下，差分對(duì)可能斷路，導(dǎo)致不確定的輸出狀態(tài)。如果這種不確定狀態(tài)導(dǎo)致輸出維持飽和，那么就需要更大的偏置電流來(lái)恢復(fù)正常運(yùn)行。

解決方案

圖 4 顯示了一款簡(jiǎn)便的解決方案，用 3 個(gè)放大器的配置在儀表放大器電路中解決這個(gè)問(wèn)題。LTC6090 是雙路放大器 LTC6091 的單路放大器版本，LT5400-2 是 4 個(gè)匹配電阻器組成的網(wǎng)絡(luò)，在 ±75V 范圍內(nèi)運(yùn)行，采用 4 個(gè) 100kΩ 電阻器，電阻器匹配度好于 0.01%。

圖 4：10kΩ 電阻器防止放大器輸出飽和

在輸出端上增設(shè)了兩個(gè) 10kΩ 電阻器以限制最壞情況輸出擺幅，并防止反饋電壓總是超過(guò)放大器的輸入共模范圍。實(shí)證檢驗(yàn)表明：當(dāng)源電阻高于 20MΩ 時(shí)，如果 +INA 輸入將被“卡住”，則可能沒(méi)有足夠的偏置電流以將其“解放”。通過(guò)采用較低的源電阻，在一個(gè)針對(duì)必須克服的保護(hù)器件漏電流的過(guò)驅(qū)動(dòng)過(guò)程之后，可以把 +INA 輸入拉低 (即：高阻抗輸入電源保持控制)。

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