輸入偏置電流是一個(gè)通常被忽視的放大器參數(shù)，它會對放大器電路的輸出精度產(chǎn)生重大影響。有時(shí)這種影響小到可以忽略不計(jì)，但有時(shí)它會導(dǎo)致電路完全失效。設(shè)計(jì)電流傳感或傳感器接口等精密應(yīng)用的工程師應(yīng)了解輸入偏置電流效應(yīng)，以便確保設(shè)計(jì)穩(wěn)健。
    通常，精密應(yīng)用中需要考慮的關(guān)鍵參數(shù)是輸入失調(diào)電壓、失調(diào)漂移和 CMRR。那么，當(dāng)放大器輸入通常被認(rèn)為是高阻抗時(shí)，輸入偏置電流因素如何影響呢？簡單的答案是，輸入偏置電流在其路徑中的任何電阻上產(chǎn)生本質(zhì)上是寄生電壓，并且其影響被放大器放大。
    輸入偏置電流的定義
    首先，我們來看看輸入偏置電流意味著什么。理想的運(yùn)算放大器（op amp）沒有任何電流流入其輸入端；但現(xiàn)實(shí)生活中的運(yùn)算放大器確實(shí)如此。數(shù)據(jù)表中的輸入偏置電流 (I IB ) 規(guī)范量化了這種非理想電流。輸入偏置電流會在輸入端產(chǎn)生額外的失調(diào)電壓降，從而導(dǎo)致輸出端出現(xiàn)失調(diào)誤差。對于大多數(shù)應(yīng)用程序，此錯(cuò)誤可以忽略不計(jì)，但在某些情況下，需要考慮這一點(diǎn)。    歷史上，運(yùn)算放大器是用雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 構(gòu)建的。對于雙極運(yùn)算放大器，例如LM324，當(dāng)輸入差分晶體管導(dǎo)通時(shí)，基極和發(fā)射極之間有少量電流流動。換句話說，基極-發(fā)射極電流是偏置晶體管所需的電流量。該電流通常在納安或微安范圍內(nèi)。對于 PNP 輸入對，電流從輸入晶體管流出，如圖1顯示的雙極放大器的簡化 PNP 輸入級。在軌到軌輸入雙極運(yùn)算放大器的情況下，將使用額外的 NPN 輸入對，并且電流將流入 NPN 輸入級。

    輸入偏置電流對精密測量很重要
    圖 1這個(gè)簡化的雙極運(yùn)算放大器輸入級演示了輸入偏置電流如何改變放大器輸出。
    然而，現(xiàn)在大多數(shù)新型放大器都使用 CMOS 晶體管。對于 MOSFET，柵極與傳導(dǎo)通道物理隔離，以創(chuàng)建真正高阻抗的輸入。這些類型的放大器沒有實(shí)際的輸入偏置電流。然而，這些放大器的數(shù)據(jù)表中仍然使用輸入偏置電流參數(shù)。在這種情況下，所謂的 CMOS 放大器的輸入偏置電流主要是來自 ESD 結(jié)構(gòu)、保護(hù)二極管和/或寄生結(jié)的泄漏。因此，諸如NCS20071之類的 CMOS 放大器的輸入偏置電流將比雙極放大器低得多。對于 CMOS 運(yùn)算放大器，輸入偏置電流根據(jù)條件可以有正流或負(fù)流。圖2顯示了具有 PMOS 輸入的 CMOS 運(yùn)算放大器的代表性簡化輸入級。    輸入偏置電流對精密測量很重要

    圖 2這個(gè) CMOS 運(yùn)算放大器輸入級的簡化輸入級顯示了泄漏如何充當(dāng)輸入偏置電流。
    CMOS運(yùn)放的每個(gè)輸入引腳都有自己的輸入偏置電流，IN+和IN-引腳可能有不同的輸入偏置電流值。數(shù)據(jù)表可以通過將其標(biāo)記為 I IB+（表示 IN+）或 I IB-（表示 IN- ）來指定通過其中一個(gè)輸入引腳的I IB電流。兩個(gè)輸入電流之間的數(shù)學(xué)差稱為輸入失調(diào)電流 I OS。
    在任何給定的數(shù)據(jù)表中，輸入偏置電流的方向并不總是被定義——數(shù)據(jù)表限制可能只顯示絕對值——因此電流可能流入或流出引腳。除非另有說明，否則假設(shè)I IB和I OS是絕對值。電流也可能發(fā)生變化。圖 3顯示了 NCS20071 輸入偏置電流如何隨著輸入共模電壓的變化而變化。    輸入偏置電流對精密測量很重要

    圖 3輸入偏置電流 (IIB) 和輸入失調(diào)電流 (IOS) 將隨運(yùn)算放大器所施加的共模電壓而變化。
    輸入偏置電流效應(yīng)
    這些輸入偏置電流會影響放大器的輸出。例如，如果運(yùn)算放大器輸入串聯(lián)一個(gè)大電阻，則 IIB流過該電阻并增加偏移。例如，請考慮圖 4中所示的原理圖。將 1 MΩ 輸入電阻器輸入IIB = 10 nA 的電壓跟隨器電路（也稱為單位增益緩沖電路）會在電阻器上產(chǎn)生額外的 10 mV 壓降，從而產(chǎn)生 10 mV 輸出誤差。    輸入偏置電流對精密測量很重要

    圖 4輸入偏置電流在此單位增益電路中產(chǎn)生電壓偏移。    為了消除 IIB 產(chǎn)生的任何失調(diào)電壓，有時(shí)電路設(shè)計(jì)人員會嘗試匹配運(yùn)算放大器的非反相和反相輸入端子所看到的輸入電阻，如圖 5所示。然而，如果偏置電流不匹配，所產(chǎn)生的輸入失調(diào)電流（IOS ）仍然會產(chǎn)生額外的輸入失調(diào)電壓。I OS產(chǎn)生的偏移電壓會導(dǎo)致輸出誤差，并且可能成為測量非常小的輸入信號的精密應(yīng)用中的一個(gè)問題。

    輸入偏置電流對精密測量很重要
    圖 5如果兩個(gè)輸入端子具有相同的輸入偏置電流和最小的輸入失調(diào)電流，則輸入電阻匹配可以減少輸入偏置電流的影響。
    電流檢測放大器的注意事項(xiàng)    專用電流檢測放大器是需要考慮的特殊情況。許多電流檢測放大器都有專門的架構(gòu)，允許輸入高于電源電壓，例如NCS210R。雖然這對許多應(yīng)用來說是有利的，但它要求電路吸收增加的輸入電流（在數(shù)十微安的范圍內(nèi)），使得電路對外部輸入電阻特別敏感，原因如上所述。圖 6演示了這一點(diǎn)，其中允許擴(kuò)展共模范圍的“附加電路”產(chǎn)生了紅色文本中所示的大輸入偏置電流。向該電路添加大的外部電阻意味著輸入偏置電流將在每個(gè)電阻上產(chǎn)生更大的電壓。

    輸入偏置電流對精密測量很重要
    圖 6電流檢測放大器有很大的偏置電流，因此外部電阻最多應(yīng)保持在 10 Ω    采用這種架構(gòu)，輸入偏置電流僅對外部電阻器產(chǎn)生影響。內(nèi)部電阻器 R1 和 R3 沒有 I IB流過它們。由于差分放大器的標(biāo)準(zhǔn)增益方程假設(shè)外部和內(nèi)部電阻器上的電流相同，因此增益與預(yù)期值有些失真。因此，標(biāo)準(zhǔn)方程只是所得增益的近似值，如近似等號所示：

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    外部電阻器還會抵消內(nèi)部增益電阻器的精密比率匹配所產(chǎn)生的高增益精度。這種類型的電流檢測放大器架構(gòu)依賴于內(nèi)部電阻器之間的比率來設(shè)置增益，而不是依賴于電阻器的絕對精度。即使所有內(nèi)部電阻都偏離標(biāo)稱值 +10%，比率匹配也意味著增益將在數(shù)據(jù)表的 ±1% 增益誤差規(guī)格范圍內(nèi)。外部電阻器，即使具有高精度，也可能會破壞整個(gè)比率匹配。這意味著添加輸入電阻實(shí)際上會產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)，由于電阻比不匹配以及 I IB而產(chǎn)生增益誤差，這在上一段中已討論過。
    除了這些誤差之外， IOS還會產(chǎn)生額外的失調(diào)電壓誤差，正如最近的安森美半導(dǎo)體應(yīng)用工程案例所證明的那樣。該客戶是一名工程師，希望通過在高側(cè)電流檢測電路中的 NCS210R 輸入端串聯(lián) 1 kΩ 電阻來定制電流檢測放大器的增益，其原理圖如圖 7所示。但結(jié)果并不是客戶所期望的。為簡單起見，實(shí)際調(diào)整增益為 167 V/V，而不是 NCS210 的標(biāo)準(zhǔn) 200 V/V 增益（假設(shè)理想電阻和標(biāo)準(zhǔn)增益方程計(jì)算得出）。    輸入偏置電流對精密測量很重要

    圖 7輸入偏置電流的差異將導(dǎo)致輸入失調(diào)電流I OS。通過添加外部電阻，方程中會添加一個(gè)額外的輸入失調(diào)電壓（用 VIN 表示），從而產(chǎn)生比單獨(dú)的輸入失調(diào)電壓更大的誤差。
    添加外部電阻后，IOS 的影響顯著，甚至超過了內(nèi)部失調(diào)電壓 V OS。如數(shù)據(jù)表中所述，NCS210R 的典型輸入失調(diào)電流為 IOS = 0.1 ?A。該電流在放大器的輸入端增加了 1 kΩ x ±0.1 ?A = ±100 ?V 誤差（典型值）。在這種情況下，典型輸入失調(diào)電流產(chǎn)生的輸入失調(diào)甚至大于產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中列出的最大輸入失調(diào)電壓 V OS = ±35 ?V。這兩個(gè)輸入失調(diào)電壓本質(zhì)上都乘以增益并作為誤差添加到輸出中。
    雖然客戶的設(shè)計(jì)人員可能預(yù)計(jì) V OS會產(chǎn)生 ±6 mV 的輸出誤差，但他們忽略了 I OS會增加至少 ±17 mV 的額外輸出誤差這一事實(shí)。如果 I OS大于數(shù)據(jù)表中注明的典型值，則該誤差會變得更大。
    客戶問題的解決方案相當(dāng)簡單。如果 NCS210R 的 200 V/V 標(biāo)準(zhǔn)增益對于他們的應(yīng)用來說太高，他們將需要使用 100 V/V 版本的放大器 (NCS214R)，而不添加任何外部電阻。這種缺失將消除iOS中的任何錯(cuò)誤。然后，他們必須相應(yīng)地增加檢測電阻器值，以在輸出端保持相同的電壓，這也會減少由于輸入失調(diào)電壓而導(dǎo)致的總體誤差。這里的權(quán)衡是，當(dāng)檢測電阻器的值增加時(shí)，檢測電阻器上會損失更多的功率。
    在這種架構(gòu)中使用電流檢測放大器時(shí)要記住的關(guān)鍵點(diǎn)是：只要電流檢測放大器中沒有添加外部電阻，固有的 I IB和 I OS就不會產(chǎn)生有害影響！
    精密運(yùn)算放大器的注意事項(xiàng)
    對于需要特定增益值的電流感測應(yīng)用，而集成電流感測放大器中不容易提供該增益值，一種可能的解決方案是精密運(yùn)算放大器，例如NCS21911。為了執(zhí)行電流檢測功能，精密運(yùn)算放大器可以實(shí)現(xiàn)為具有外部增益網(wǎng)絡(luò)的差分放大器。這種方法的挑戰(zhàn)是在增益網(wǎng)絡(luò)中的電阻器之間實(shí)現(xiàn)足夠的匹配，以建立所需的增益精度和 CMRR。所需的精密匹配電阻器可能很昂貴。然而，該解決方案可以潛在地減少具有非常特定增益要求的應(yīng)用中輸入偏置電流產(chǎn)生的誤差。
    值得注意的是，精密放大器可以有自己獨(dú)特的輸入偏置電流行為。精密放大器中常用的零漂移架構(gòu)是通過定期對輸入進(jìn)行采樣并對其進(jìn)行校正來實(shí)現(xiàn)的。因此，由于電容器和開關(guān)上的電荷注入和時(shí)鐘饋通，輸入端會出現(xiàn)電流尖峰。IB _數(shù)據(jù)表上列出的是平均直流值，但存在電流尖峰。在這種情況下，不建議使用非常大的外部輸入電阻。如果需要，可以添加一個(gè)截止頻率低于斬波頻率的簡單 RC 濾波器，以最大限度地減少電壓尖峰。這種固有行為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電流傳感應(yīng)用的可靠選擇。
    結(jié)論
    對于大多數(shù)應(yīng)用，輸入偏置電流通常不被視為重要參數(shù)。即便如此，在某些情況下它確實(shí)會對性能產(chǎn)生重大影響，并且理解它對于成功的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。通過了解輸入偏置電流如何產(chǎn)生額外的輸入失調(diào)電壓因子，電路設(shè)計(jì)人員可以了解如何確保精密應(yīng)用的最佳精度。