电阻应用电路之运放如何消除偏置电流的影响

运算放大器偏置电流的影响与消除方案 运算放大器作为模拟电路的核心器件,其输入偏置电流是影响精度的关键参数。偏置电流源于晶体管输入级的工作机制,会在高阻抗电路中产生显著误差电压。通过阻抗匹配、低偏置运放选型、自动归零等技术可有效消除影响,这些方法在传感器接口、医疗仪器等高精度场景尤为重要。现代CMOS工艺已实现fA级偏置电流,结合保护环等PCB设计技巧,能满足光电检测等超高阻抗测量需求。 阅读详情
AI摘要

本文探讨了在实际运放应用中如何通过匹配输入端电阻来降低偏置电流对信号的影响,并介绍了偏置电流的概念及其在不同类型的运放中的表现。

1 电阻应用电阻之运放如何消除偏置电流的影响

我们会发现一个问题,或者前辈告诉我们无论是电压跟随或者正相比例还是其他运放应用电路,一定要在正相输入端串入一个电阻,而且这个电阻的值等于反向输入端反馈电阻网络的并联。

为什么要这么做?就是因为理想运放和实际运放是有区别的,实际运放因为其结构的问题导致其在输入端存在偏置电流,正是因为偏置电流的存在导致我们要传递微小的信号的时候就会该偏置电流就会影响或者淹没我们的微小有用小信号。

1.1 现象和解决方法

在这里插入图片描述
不管任何运放电路,想让偏置电流的影响降到最低,则只要正相输入端和反向输入端也即是让两个基极的电阻相等即可。

需要了解一下运放虚短虚断的基本概念,这个还是比较简单的,不再描述了。我们还需要知道对于理想运放来说输入阻抗无穷大,就能保证小信号全部传递到输入端,输出阻抗无穷小,就能保证输出全部传递到负载。

1.2 运放存在偏置电流

运放存在偏执电流示意图如下:
在这里插入图片描述
看下BJT和MOS管电阻组成的运放各自的偏置电流:
在这里插入图片描述
BJT 构成的双极型运放,其输入级的电路如上,其输入偏置电流的典型值是 nA 级。

在这里插入图片描述

若运放的输入级运放采用 MOSFET ,则其输入偏置电流的典型值是 pA级;为什么呢?因为栅极处是 SiO2 的绝缘物,阻抗无穷大,所以偏置电流较小。

1.3 解决方案公式推导

在这里插入图片描述
我们先看下几个概念:

  • 输入偏置电流 Iin(bias) = ( Ib- + Ib+ ) /2 = 8.5pA
  • 输入失调电流 Iin(off) = (Ib+ - Ib-) = 1pA

还有另外一种叫法:

  • 输入补偿电流 =Iin(off) = (Ib+ - Ib-) ;
  • 输入偏置电流 =Iin(bias) = ( Ib- + Ib+ ) /2

通常情况下, Iin(off) ≤ Iin(bias) / 4, 即 1pA < 8.5pA。此时得到的差分输入电压就等于:Ib+Rb+ (正相端的基极电阻) - ( Ib- * Rb-( 反相端的基极电阻 )) ,if 让 Rb+ = Rb- = Rb, 则差分输入电压 = Rb(Ib+ - Ib-) = RbIin(off)而 Iin(off) < Iin(bias)/4, 则此时基极电流不相等产生的偏置电流的影响在这个等式中被消除了,所以当两个电阻相等的时候,此时只剩下了输入失调电流的影响。

下面再以下图为例看下详细的推导过程:
在这里插入图片描述
b+ = Iin(bias) + Iin(off)/2
Ib- = Iin(bias) - Iin(off)/2
Vin = Ib+*Rb1-Ib-*Rb2 = (Iin(bias) + Iin(off)/2)*Rb1-(Iin(bias) -Iin(off)/2)*Rb2
if Rb1 = Rb2 = Rb,then
Vin= (Iin(bias) + Iin(off)/2)*Rb-(Iin(bias) - Iin(off)/2)*Rb
= ( Iin(bias) + Iin(off)/2 - (Iin(bias) - Iin(off)/2) ) Rb
= Iin(off)Rb, Iin(bias) 刚好被消掉,if 让 Rb+ = Rb- = Rb, 则差分输入电压 = Rb(Ib+ - Ib-) = RbIin(off)而 Iin(off) < Iin(bias)/4, 则此时基极电流不相等产生的偏置电流的影响在这个等式中被消除了,所以当两个电阻相等的时候,此时只剩下了输入失调电流的影响。

其实这里看的并不是很懂,日后再回头看!

一文读懂运放偏置电流和输入失调电流 实际的运放等效电路为:一个理想运放加上输入端的两个电流源。 那么什么是偏置电流,什么又是失调电流呢? 偏置电流(Input offset current) §定义:当输出维持在规定的电平时,两个输入端流进电流的平均值。 §优劣范围:60fA~100µA。这取决于运放输入端结构,运放的两个输入端并不是绝对高阻的。 §后果:第一,当用放大器接成跨阻放大测量外部微小电流时,过大的输入偏置电流会分掉被测电流,使测量失准。第二,当放大器输入端通过一个电阻接地时,这个电流将在电阻上产生不期望的输入电压 阅读详情

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