運放參數的詳細解釋和分析-part1-輸入偏置電流和輸入失調電流

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一般運放的datasheet中會列出衆多的運放參數，有些易于了解，我們常關注，有些可能會被忽略了。在接下來的一些主題裡，将對每一個參數進行詳細的說明和分析。力求在原理和對應用的影響上把運放參數闡述清楚。

輸入偏置電流和輸入失調電流

第一節要說明的是運放的輸入偏置電流Ib和輸入失調電流Ios。衆所周知，理想運放是沒有輸入偏置電流Ib和輸入失調電流Ios的。但每一顆實際運放都會有輸入偏置電流Ib和輸入失調電流Ios 。我們可以用下圖中的模型來說明它們的定義。

• 輸入偏置電流Ib是由于運放兩個輸入極都有漏電流（我們暫且稱之為漏電流）的存在。我們可以了解為，理想運放的各個輸入端都串聯進了一個電流源，這兩個電流源的電流值一般為不相同。也就是說，實際的運放，會有電流流入或流出運放的輸入端的（與理想運放的虛斷不太一樣）。那麼輸入偏置電流就定義這兩個電流的平均值（共模電流）。輸入失調電流，就定義為兩個電流的差（差模電流）。
• 說完定義，下面我們要深究一下這個電流的來源。那我們就要看一下運入的輸入級了，運放的輸入級一般采用差分輸入（電壓回報運放）。采用的管子，要麼是三級管（bipolar），要麼是場效應管（FET）。
• 如下圖所示，對于bipolar要使其工作線上性區，就要給基極提供偏置電壓或者說要有比較大的基極電流，也就是常說的三極管是電流控制器件。那麼其偏置電流、失調電流就來源于輸入級的三極管的基極電流，由于工藝上兩個管子很難做到完全比對，是以這兩個管子Q1和Q2的基極電流總是有這麼點差别，也就是輸入的失調電流。Bipolar輸入型運放這兩個輸入電流值是比較大的，在電路設計時要進行考慮。

• 而對于FET輸入的運放，如上圖所示，由于其是電壓控制型器件，可以說它的栅極電流是很小的，一般會在fA級，但不幸的是它的每個輸入引腳都有一對ESD保護二極管。這兩個二極管都是有漏電流的，這個漏電流一般會比FET的栅極電流大的多，這也成為了FET輸入運放的偏置電流的來源。當然，這兩對ESD保護二極管也不可能完全一緻，是以也就有了不同的漏電流，漏電流之差也就構成了輸入失調電流的主要成份。即FET輸入型運放的偏置電流和失調電流來源于FET的栅極電流和ESD二極管的漏電流。

• 下圖中上表是LM741（bipolar輸入型運放）的輸入偏置電流和輸入失調電流（幾十~幾百nA），這個電流流到外面電阻，即使是K歐級的，也會産生幾十uV的失調電壓，再經放大，很容易就會使輸出的電壓誤差到mV級。下表則是OPA369（CMOS

  FET輸入型運放）的輸入偏置電流和輸入失調電流（幾十pA），這兩個值要小的多（約為bipolar輸入型運放的千分之一）。比較好的COMS運放輸入偏置電流和輸入失調電流的典型值可以做到小于1pA的目标。

• 這裡還要強調的是，ESD的漏電流（ESD二極管加反向電壓産生漏電流）是與其反向電壓有關的。當Vin=(Vcc-Vss)/2

  情形（其中Vss為運放的負電源或GND），此時加在兩個ESD保護二極管的電壓相當（此時可以将兩個ESD看做兩個大小相同且阻值極大的電阻，兩者分壓相同，為(Vcc-Vss)/2），他們的反向電流可以認為是近似相等的，此時理想情況是無電流流入或流出的。實際應用時表現為輸入失調或者輸入偏置電流達到最小值；

• 當運放輸入端電壓Vin不等于(Vcc-Vss)/2，勢必造成一個二極管的反向電壓高，另一個低，此時兩個二極管的反向漏電流就不等了，這個差電流就會構成了輸入偏置和輸入失調電流的主要成份。這個現場稱為領結效應。是以要使FET輸入偏置和輸入失調電流最小，就要把共模電壓設定在(Vcc-Vss)/2處。

運放的電阻比對

• 上面分析了定義和來源。下面就要說說這兩個參數對電路的影響了，輸入偏置電流會流過外面的電阻網絡，進而轉化成運放的失調電壓，再經過運放放大後就到了運入的輸出端，造成了運放的輸入誤差。這也就說明了，在反向放大電路中，為什麼要在運放的同相輸入端連一個電阻再接地的原因。并且這個電阻要等于反向輸入端的電阻和回報電阻并聯後的值。這就是為了使兩個輸入端偏置電流流過電阻時，形成的電壓值相等，進而使它們引入的失調電壓為0。這樣說，太抽象了，還是看下面一組圖容易了解一些。下示第3圖中運放同相和反相輸入端所加電壓源分别表示為同相輸入電壓（Vib+=ib+乘上 Rs）及反相輸入電壓（Vib-=ib- 乘上Rf||Rl）；下示第4圖中Vout表示輸入失調電壓産生的輸出電壓誤差，Vout=5.5uV乘以同相端增益(1+R2/R3)=11uV。
• 注：下面圖中并沒有将同相端電阻阻值Rs設定為與反相端電阻的并聯值（Rf||Rl）相等。隻是為了更好的揭示當運放電阻不比對時所産生的輸出電壓誤差。

• 再有一點，對于微小電流檢測的電路，一般為跨阻放大電路，如光電二極管的探測電路，一般有用光信号都比較微弱轉化的光電源信号更微弱，常常為nA級甚于pA級。這個電路的本意是想讓光電流向回報電阻流動進而在放大電路輸出端産生出電壓。如果選用的運放的輸入偏置電流過大，則這個微弱的光電流會有一部分流入到運放的輸入端，而達不到預設的I/V線性轉化。
• 還需要注意的一點是，許多運放的輸入失調電流會随着溫度的變化而變化，如下圖所示OPAl350的輸入失調電流會在高于25度時快速的升高。在100度時的輸入偏置電流是25度時的幾百倍。如果設計的系統是在很寬的溫度範圍内工作，這一因素不得不考慮。

  

本文中來源于TI中文支援論壇，原作者為Wayne Xu

本人對其進行了簡單的整理和補充

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