輸入偏置電流和輸入失調(diào)電流

一般運(yùn)放的datasheet中會(huì)列出眾多的運(yùn)放參數(shù)，有些易于理解，我們常關(guān)注，有些可能會(huì)被忽略了。在接下來(lái)的一些主題里，將對(duì)每一個(gè)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明和分析。力求在原理和對(duì)應(yīng)用的影響上把運(yùn)放參數(shù)闡述清楚。由于本人的水平有限，寫的博文中難免有些疏漏，希望大家批評(píng)指正。

第一節(jié)要說(shuō)明的是運(yùn)放的輸入偏置電流Ib和輸入失調(diào)電流Ios .眾說(shuō)周知，理想運(yùn)放是沒有輸入偏置電流Ib和輸入失調(diào)電流Ios .的。但每一顆實(shí)際運(yùn)放都會(huì)有輸入偏置電流Ib和輸入失調(diào)電流Ios .我們可以用下圖中的模型來(lái)說(shuō)明它們的定義。

輸入偏置電流Ib是由于運(yùn)放兩個(gè)輸入極都有漏電流(我們暫且稱之為漏電流)的存在。我們可以理解為，理想運(yùn)放的各個(gè)輸入端都串聯(lián)進(jìn)了一個(gè)電流源，這兩個(gè)電流源的電流值一般為不相同。也就是說(shuō)，實(shí)際的運(yùn)入，會(huì)有電流流入或流出運(yùn)放的輸入端的(與理想運(yùn)放的虛斷不太一樣)。那么輸入偏置電流就定義這兩個(gè)電流的平均值，這個(gè)很好理解。輸入失調(diào)電流呢，就定義為兩個(gè)電流的差。

說(shuō)完定義，下面我們要深究一下這個(gè)電流的來(lái)源。那我們就要看一下運(yùn)入的輸入級(jí)了，運(yùn)放的輸入級(jí)一般采用差分輸入(電壓反饋運(yùn)放)。采用的管子，要么是三級(jí)管bipolar，要么是場(chǎng)效應(yīng)管FET。如下圖所示，對(duì)于bipolar,要使其工作在線性區(qū)，就要給基極提供偏置電壓，或者說(shuō)要有比較大的基極電流，也就是常說(shuō)的，三極管是電流控制器件。那么其偏置 電流就來(lái)源于輸入級(jí)的三極管的基極電流，由于工藝上很難做到兩個(gè)管子的完全匹配，所以這兩個(gè)管子Q1和Q2的基極電流總是有這么點(diǎn)差別，也就是輸入的失調(diào)電流。Bipolar輸入的運(yùn)放這兩個(gè)值還是很可觀的，也就是說(shuō)是比較大的，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，不得不考慮的。而對(duì)于FET輸入的運(yùn)放，由于其是電壓控制電流器件，可以說(shuō)它的柵極電流是很小很小的，一般會(huì)在fA級(jí)，但不幸的是，它的每個(gè)輸入引腳都有一對(duì)ESD保護(hù)二極管。這兩個(gè)二極管都是有漏電流的，這個(gè)漏電流一般會(huì)比FET的柵極電流大的多，這也成為了FET輸入運(yùn)放的偏置電流的來(lái)源。當(dāng)然，這兩對(duì)ESD保護(hù)二極管也不可能完全一致，因此也就有了不同的漏電流，漏電流之差也就構(gòu)成了輸入失調(diào)電流的主要成份。

下面列表中上表是bipolar的LM741的輸入偏置電流和輸入失調(diào)電流，這個(gè)電流流到外面電阻，即使是K歐級(jí)的，也會(huì)產(chǎn)生幾十uV的失調(diào)電壓，再經(jīng)放大，很容易就會(huì)使輸出的電壓誤差到mV級(jí)。下表則是CMOSFET的OPA369的輸入偏置電流和輸入失調(diào)電流，這兩個(gè)值要小的多了，比較好的COMS運(yùn)放輸入偏置電流和輸入失調(diào)電流的典型值可以做到小于1pA的目標(biāo)。

這里還要強(qiáng)調(diào)的是，ESD的反向漏電流是與其反相電壓有關(guān)的。因此當(dāng)Vin=(Vcc-Vss)/2 時(shí)，加在兩個(gè)ESD保護(hù)二極管的電壓相當(dāng)，他們的反向電流可以認(rèn)為是近似相等的，此時(shí)理想情況是無(wú)電流流入或流出的，實(shí)際情況是電流達(dá)到最小值。因此這時(shí)有最小的偏置電流，當(dāng)運(yùn)放輸入端電壓Vin不等于(Vcc-Vss)/2，勢(shì)必造成一個(gè)二極管的反向電壓高，另一個(gè)低，此時(shí)兩個(gè)二極管的反向漏電流就不等了，這個(gè)差電流就會(huì)構(gòu)成了輸入偏置電流的主要成份。這個(gè)現(xiàn)場(chǎng)稱為領(lǐng)節(jié)效應(yīng)。因此要使FET輸入偏置電流最小，就要把共模電壓設(shè)置在(Vcc-Vss)/2處。

上面分析了定義和來(lái)源。下面就要說(shuō)說(shuō)這兩個(gè)參數(shù)對(duì)電路的影響了，輸入偏置電流會(huì)流過(guò)外面的電阻網(wǎng)絡(luò)，從而轉(zhuǎn)化成運(yùn)放的失調(diào)電壓，再經(jīng)運(yùn)放話后就到了運(yùn)入的輸出端，造成了運(yùn)放的輸入誤差。這也就說(shuō)明了，在反向放大電路中，為什么要在運(yùn)放的同相輸入端連一個(gè)電阻再接地的原因。并且這個(gè)電阻要等于反向輸入端的電阻和反饋電阻并聯(lián)后的值。這就是為了使兩個(gè)輸入端偏置電流流過(guò)電阻時(shí)，形成的電壓值相等，從而使它們引入的失調(diào)電壓為0。這樣說(shuō)，太抽象了，還是看下面一組圖容易理解一些。

再有一點(diǎn)，對(duì)于微小電流檢測(cè)的電路，一般為跨阻放大電路，如光電二極管的探測(cè)電路，一般有用光信號(hào)都比較微弱轉(zhuǎn)化的光電源信號(hào)更微弱，常常為nA級(jí)甚于pA級(jí)。這個(gè)電路的本意是想讓光電流向反饋電阻流動(dòng)從而在放大電路輸出端產(chǎn)生出電壓。如果選用的運(yùn)放的輸入偏置電流過(guò)大，剛這個(gè)微弱的光電流會(huì)有一部分流入到運(yùn)放的輸入端，而達(dá)不到預(yù)設(shè)的I/V線性轉(zhuǎn)化。

還需要注意的一點(diǎn)時(shí)，許多運(yùn)放的輸入失調(diào)電流會(huì)隨著溫度的變化而變化，如下圖所示OPAl350的輸入失調(diào)電流會(huì)在高于25度時(shí)快速的升高。在100度時(shí)的輸入偏置電流是25度時(shí)的幾百倍。如果設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是在很寬的溫度范圍內(nèi)工作，這一因素不得不考慮。