场效应晶体管放大器是电压控制器件，具有输入阻抗高、噪声低的优点，被广泛应用在电子电路中，特别是具有上述要求前级放大器显示器出越性。根据场效应管两大类型...
输入偏置电流对精密测量很重要
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2023年08月22日 19:58 254
admin
输入偏置电流是一个通常被忽视的放大器参数，它会对放大器电路的输出精度产生重大影响。有时这种影响小到可以忽略不计，但有时它会导致电路完全失效。设计电流传感或传感器接口等精密应用的工程师应了解输入偏置电流效应，以便确保设计稳健。
通常，精密应用中需要考虑的关键参数是输入失调电压、失调漂移和 CMRR。那么，当放大器输入通常被认为是高阻抗时，输入偏置电流因素如何影响呢？简单的答案是，输入偏置电流在其路径中的任何电阻上产生本质上是寄生电压，并且其影响被放大器放大。
输入偏置电流的定义
首先，我们来看看输入偏置电流意味着什么。理想的运算放大器（op amp）没有任何电流流入其输入端；但现实生活中的运算放大器确实如此。数据表中的输入偏置电流 (I IB ) 规范量化了这种非理想电流。输入偏置电流会在输入端产生额外的失调电压降，从而导致输出端出现失调误差。对于大多数应用程序，此错误可以忽略不计，但在某些情况下，需要考虑这一点。 历史上，运算放大器是用双极结型晶体管 (BJT) 构建的。对于双极运算放大器，例如LM324，当输入差分晶体管导通时，基极和发射极之间有少量电流流动。换句话说，基极-发射极电流是偏置晶体管所需的电流量。该电流通常在纳安或微安范围内。对于 PNP 输入对，电流从输入晶体管流出，如图1显示的双极放大器的简化 PNP 输入级。在轨到轨输入双极运算放大器的情况下，将使用额外的 NPN 输入对，并且电流将流入 NPN 输入级。
图 1这个简化的双极运算放大器输入级演示了输入偏置电流如何改变放大器输出。
然而，现在大多数新型放大器都使用 CMOS 晶体管。对于 MOSFET，栅极与传导通道物理隔离，以创建真正高阻抗的输入。这些类型的放大器没有实际的输入偏置电流。然而，这些放大器的数据表中仍然使用输入偏置电流参数。在这种情况下，所谓的 CMOS 放大器的输入偏置电流主要是来自 ESD 结构、保护二极管和/或寄生结的泄漏。因此，诸如NCS20071之类的 CMOS 放大器的输入偏置电流将比双极放大器低得多。对于 CMOS 运算放大器，输入偏置电流根据条件可以有正流或负流。图2显示了具有 PMOS 输入的 CMOS 运算放大器的代表性简化输入级。 输入偏置电流对精密测量很重要
CMOS运放的每个输入引脚都有自己的输入偏置电流，IN+和IN-引脚可能有不同的输入偏置电流值。数据表可以通过将其标记为 I IB+（表示 IN+）或 I IB-（表示 IN- ）来指定通过其中一个输入引脚的I IB电流。两个输入电流之间的数学差称为输入失调电流 I OS。
在任何给定的数据表中，输入偏置电流的方向并不总是被定义——数据表限制可能只显示绝对值——因此电流可能流入或流出引脚。除非另有说明，否则假设I IB和I OS是绝对值。电流也可能发生变化。图 3显示了 NCS20071 输入偏置电流如何随着输入共模电压的变化而变化。 输入偏置电流对精密测量很重要
输入偏置电流效应
这些输入偏置电流会影响放大器的输出。例如，如果运算放大器输入串联一个大电阻，则 IIB流过该电阻并增加偏移。例如，请考虑图 4中所示的原理图。将 1 MΩ 输入电阻器输入IIB = 10 nA 的电压跟随器电路（也称为单位增益缓冲电路）会在电阻器上产生额外的 10 mV 压降，从而产生 10 mV 输出误差。 输入偏置电流对精密测量很重要
图 5如果两个输入端子具有相同的输入偏置电流和最小的输入失调电流，则输入电阻匹配可以减少输入偏置电流的影响。
电流检测放大器的注意事项 专用电流检测放大器是需要考虑的特殊情况。许多电流检测放大器都有专门的架构，允许输入高于电源电压，例如NCS210R。虽然这对许多应用来说是有利的，但它要求电路吸收增加的输入电流（在数十微安的范围内），使得电路对外部输入电阻特别敏感，原因如上所述。图 6演示了这一点，其中允许扩展共模范围的“附加电路”产生了红色文本中所示的大输入偏置电流。向该电路添加大的外部电阻意味着输入偏置电流将在每个电阻上产生更大的电压。
图 6电流检测放大器有很大的偏置电流，因此外部电阻最多应保持在 10 Ω 采用这种架构，输入偏置电流仅对外部电阻器产生影响。内部电阻器 R1 和 R3 没有 I IB流过它们。由于差分放大器的标准增益方程假设外部和内部电阻器上的电流相同，因此增益与预期值有些失真。因此，标准方程只是所得增益的近似值，如近似等号所示：
外部电阻器还会抵消内部增益电阻器的精密比率匹配所产生的高增益精度。这种类型的电流检测放大器架构依赖于内部电阻器之间的比率来设置增益，而不是依赖于电阻器的绝对精度。即使所有内部电阻都偏离标称值 +10%，比率匹配也意味着增益将在数据表的 ±1% 增益误差规格范围内。外部电阻器，即使具有高精度，也可能会破坏整个比率匹配。这意味着添加输入电阻实际上会产生复合效应，由于电阻比不匹配以及 I IB而产生增益误差，这在上一段中已讨论过。
除了这些误差之外， IOS还会产生额外的失调电压误差，正如最近的安森美半导体应用工程案例所证明的那样。该客户是一名工程师，希望通过在高侧电流检测电路中的 NCS210R 输入端串联 1 kΩ 电阻来定制电流检测放大器的增益，其原理图如图 7所示。但结果并不是客户所期望的。为简单起见，实际调整增益为 167 V/V，而不是 NCS210 的标准 200 V/V 增益（假设理想电阻和标准增益方程计算得出）。 输入偏置电流对精密测量很重要
添加外部电阻后，IOS 的影响显着，甚至超过了内部失调电压 V OS。如数据表中所述，NCS210R 的典型输入失调电流为 IOS = 0.1 ?A。该电流在放大器的输入端增加了 1 kΩ x ±0.1 ?A = ±100 ?V 误差（典型值）。在这种情况下，典型输入失调电流产生的输入失调甚至大于产品数据表中列出的最大输入失调电压 V OS = ±35 ?V。这两个输入失调电压本质上都乘以增益并作为误差添加到输出中。
虽然客户的设计人员可能预计 V OS会产生 ±6 mV 的输出误差，但他们忽略了 I OS会增加至少 ±17 mV 的额外输出误差这一事实。如果 I OS大于数据表中注明的典型值，则该误差会变得更大。
客户问题的解决方案相当简单。如果 NCS210R 的 200 V/V 标准增益对于他们的应用来说太高，他们将需要使用 100 V/V 版本的放大器 (NCS214R)，而不添加任何外部电阻。这种缺失将消除iOS中的任何错误。然后，他们必须相应地增加检测电阻器值，以在输出端保持相同的电压，这也会减少由于输入失调电压而导致的总体误差。这里的权衡是，当检测电阻器的值增加时，检测电阻器上会损失更多的功率。
在这种架构中使用电流检测放大器时要记住的关键点是：只要电流检测放大器中没有添加外部电阻，固有的 I IB和 I OS就不会产生有害影响！
精密运算放大器的注意事项
对于需要特定增益值的电流感测应用，而集成电流感测放大器中不容易提供该增益值，一种可能的解决方案是精密运算放大器，例如NCS21911。为了执行电流检测功能，精密运算放大器可以实现为具有外部增益网络的差分放大器。这种方法的挑战是在增益网络中的电阻器之间实现足够的匹配，以建立所需的增益精度和 CMRR。所需的精密匹配电阻器可能很昂贵。然而，该解决方案可以潜在地减少具有非常特定增益要求的应用中输入偏置电流产生的误差。
值得注意的是，精密放大器可以有自己独特的输入偏置电流行为。精密放大器中常用的零漂移架构是通过定期对输入进行采样并对其进行校正来实现的。因此，由于电容器和开关上的电荷注入和时钟馈通，输入端会出现电流尖峰。IB _数据表上列出的是平均直流值，但存在电流尖峰。在这种情况下，不建议使用非常大的外部输入电阻。如果需要，可以添加一个截止频率低于斩波频率的简单 RC 滤波器，以最大限度地减少电压尖峰。这种固有行为限制了零漂移放大器用作跨阻放大器。然而，零漂移放大器仍然是电流传感应用的可靠选择。
结论
对于大多数应用，输入偏置电流通常不被视为重要参数。即便如此，在某些情况下它确实会对性能产生重大影响，并且理解它对于成功的设计至关重要。通过了解输入偏置电流如何产生额外的输入失调电压因子，电路设计人员可以了解如何确保精密应用的最佳精度。
通常，精密应用中需要考虑的关键参数是输入失调电压、失调漂移和 CMRR。那么，当放大器输入通常被认为是高阻抗时，输入偏置电流因素如何影响呢？简单的答案是，输入偏置电流在其路径中的任何电阻上产生本质上是寄生电压，并且其影响被放大器放大。
输入偏置电流的定义
首先，我们来看看输入偏置电流意味着什么。理想的运算放大器（op amp）没有任何电流流入其输入端；但现实生活中的运算放大器确实如此。数据表中的输入偏置电流 (I IB ) 规范量化了这种非理想电流。输入偏置电流会在输入端产生额外的失调电压降，从而导致输出端出现失调误差。对于大多数应用程序，此错误可以忽略不计，但在某些情况下，需要考虑这一点。 历史上，运算放大器是用双极结型晶体管 (BJT) 构建的。对于双极运算放大器，例如LM324，当输入差分晶体管导通时，基极和发射极之间有少量电流流动。换句话说，基极-发射极电流是偏置晶体管所需的电流量。该电流通常在纳安或微安范围内。对于 PNP 输入对，电流从输入晶体管流出，如图1显示的双极放大器的简化 PNP 输入级。在轨到轨输入双极运算放大器的情况下，将使用额外的 NPN 输入对，并且电流将流入 NPN 输入级。
图 1这个简化的双极运算放大器输入级演示了输入偏置电流如何改变放大器输出。
然而，现在大多数新型放大器都使用 CMOS 晶体管。对于 MOSFET，栅极与传导通道物理隔离，以创建真正高阻抗的输入。这些类型的放大器没有实际的输入偏置电流。然而，这些放大器的数据表中仍然使用输入偏置电流参数。在这种情况下，所谓的 CMOS 放大器的输入偏置电流主要是来自 ESD 结构、保护二极管和/或寄生结的泄漏。因此，诸如NCS20071之类的 CMOS 放大器的输入偏置电流将比双极放大器低得多。对于 CMOS 运算放大器，输入偏置电流根据条件可以有正流或负流。图2显示了具有 PMOS 输入的 CMOS 运算放大器的代表性简化输入级。 输入偏置电流对精密测量很重要
CMOS运放的每个输入引脚都有自己的输入偏置电流，IN+和IN-引脚可能有不同的输入偏置电流值。数据表可以通过将其标记为 I IB+（表示 IN+）或 I IB-（表示 IN- ）来指定通过其中一个输入引脚的I IB电流。两个输入电流之间的数学差称为输入失调电流 I OS。
在任何给定的数据表中，输入偏置电流的方向并不总是被定义——数据表限制可能只显示绝对值——因此电流可能流入或流出引脚。除非另有说明，否则假设I IB和I OS是绝对值。电流也可能发生变化。图 3显示了 NCS20071 输入偏置电流如何随着输入共模电压的变化而变化。 输入偏置电流对精密测量很重要
输入偏置电流效应
这些输入偏置电流会影响放大器的输出。例如，如果运算放大器输入串联一个大电阻，则 IIB流过该电阻并增加偏移。例如，请考虑图 4中所示的原理图。将 1 MΩ 输入电阻器输入IIB = 10 nA 的电压跟随器电路（也称为单位增益缓冲电路）会在电阻器上产生额外的 10 mV 压降，从而产生 10 mV 输出误差。 输入偏置电流对精密测量很重要
图 5如果两个输入端子具有相同的输入偏置电流和最小的输入失调电流，则输入电阻匹配可以减少输入偏置电流的影响。
电流检测放大器的注意事项 专用电流检测放大器是需要考虑的特殊情况。许多电流检测放大器都有专门的架构，允许输入高于电源电压，例如NCS210R。虽然这对许多应用来说是有利的，但它要求电路吸收增加的输入电流（在数十微安的范围内），使得电路对外部输入电阻特别敏感，原因如上所述。图 6演示了这一点，其中允许扩展共模范围的“附加电路”产生了红色文本中所示的大输入偏置电流。向该电路添加大的外部电阻意味着输入偏置电流将在每个电阻上产生更大的电压。
图 6电流检测放大器有很大的偏置电流，因此外部电阻最多应保持在 10 Ω 采用这种架构，输入偏置电流仅对外部电阻器产生影响。内部电阻器 R1 和 R3 没有 I IB流过它们。由于差分放大器的标准增益方程假设外部和内部电阻器上的电流相同，因此增益与预期值有些失真。因此，标准方程只是所得增益的近似值，如近似等号所示：
外部电阻器还会抵消内部增益电阻器的精密比率匹配所产生的高增益精度。这种类型的电流检测放大器架构依赖于内部电阻器之间的比率来设置增益，而不是依赖于电阻器的绝对精度。即使所有内部电阻都偏离标称值 +10%，比率匹配也意味着增益将在数据表的 ±1% 增益误差规格范围内。外部电阻器，即使具有高精度，也可能会破坏整个比率匹配。这意味着添加输入电阻实际上会产生复合效应，由于电阻比不匹配以及 I IB而产生增益误差，这在上一段中已讨论过。
除了这些误差之外， IOS还会产生额外的失调电压误差，正如最近的安森美半导体应用工程案例所证明的那样。该客户是一名工程师，希望通过在高侧电流检测电路中的 NCS210R 输入端串联 1 kΩ 电阻来定制电流检测放大器的增益，其原理图如图 7所示。但结果并不是客户所期望的。为简单起见，实际调整增益为 167 V/V，而不是 NCS210 的标准 200 V/V 增益（假设理想电阻和标准增益方程计算得出）。 输入偏置电流对精密测量很重要
添加外部电阻后，IOS 的影响显着，甚至超过了内部失调电压 V OS。如数据表中所述，NCS210R 的典型输入失调电流为 IOS = 0.1 ?A。该电流在放大器的输入端增加了 1 kΩ x ±0.1 ?A = ±100 ?V 误差（典型值）。在这种情况下，典型输入失调电流产生的输入失调甚至大于产品数据表中列出的最大输入失调电压 V OS = ±35 ?V。这两个输入失调电压本质上都乘以增益并作为误差添加到输出中。
虽然客户的设计人员可能预计 V OS会产生 ±6 mV 的输出误差，但他们忽略了 I OS会增加至少 ±17 mV 的额外输出误差这一事实。如果 I OS大于数据表中注明的典型值，则该误差会变得更大。
客户问题的解决方案相当简单。如果 NCS210R 的 200 V/V 标准增益对于他们的应用来说太高，他们将需要使用 100 V/V 版本的放大器 (NCS214R)，而不添加任何外部电阻。这种缺失将消除iOS中的任何错误。然后，他们必须相应地增加检测电阻器值，以在输出端保持相同的电压，这也会减少由于输入失调电压而导致的总体误差。这里的权衡是，当检测电阻器的值增加时，检测电阻器上会损失更多的功率。
在这种架构中使用电流检测放大器时要记住的关键点是：只要电流检测放大器中没有添加外部电阻，固有的 I IB和 I OS就不会产生有害影响！
精密运算放大器的注意事项
对于需要特定增益值的电流感测应用，而集成电流感测放大器中不容易提供该增益值，一种可能的解决方案是精密运算放大器，例如NCS21911。为了执行电流检测功能，精密运算放大器可以实现为具有外部增益网络的差分放大器。这种方法的挑战是在增益网络中的电阻器之间实现足够的匹配，以建立所需的增益精度和 CMRR。所需的精密匹配电阻器可能很昂贵。然而，该解决方案可以潜在地减少具有非常特定增益要求的应用中输入偏置电流产生的误差。
值得注意的是，精密放大器可以有自己独特的输入偏置电流行为。精密放大器中常用的零漂移架构是通过定期对输入进行采样并对其进行校正来实现的。因此，由于电容器和开关上的电荷注入和时钟馈通，输入端会出现电流尖峰。IB _数据表上列出的是平均直流值，但存在电流尖峰。在这种情况下，不建议使用非常大的外部输入电阻。如果需要，可以添加一个截止频率低于斩波频率的简单 RC 滤波器，以最大限度地减少电压尖峰。这种固有行为限制了零漂移放大器用作跨阻放大器。然而，零漂移放大器仍然是电流传感应用的可靠选择。
结论
对于大多数应用，输入偏置电流通常不被视为重要参数。即便如此，在某些情况下它确实会对性能产生重大影响，并且理解它对于成功的设计至关重要。通过了解输入偏置电流如何产生额外的输入失调电压因子，电路设计人员可以了解如何确保精密应用的最佳精度。
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