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输入偏置电流对精确测量的重要性

时间:2020-07-09 作者:Farhana Sarder 阅读:
输入偏置电流是一个经常被忽略的放大器参数,但它却可能会对放大器电路的输出精度产生重大影响。这种影响有时可以忽略不计,但有时却可能导致电路完全失效。工程师们在进行精密应用(如电流检测或传感器接口等)的设计时,应特别注意输入偏置电流的影响,以确保可靠的设计。
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输入偏置电流是一个经常被忽略的放大器参数,但它却可能会对放大器电路的输出精度产生重大影响。有时,它的影响可以忽略不计;但有时却可能导致电路完全失效。工程师们在进行精密应用(如电流检测或传感器接口等)的设计时,应特别注意输入偏置电流的影响,以确保可靠的设计。

通常情况下,工程师们能想到的精密应用关键参数包括输入失调电压、失调漂移和共模抑制比(CMRR)。放大器输入通常被认为是高阻抗的,那么输入偏置电流会产生什么影响呢?简单来讲,输入偏置电流会在其流经电路的任何一个电阻上产生寄生电压,而这个电压会被放大器放大。

输入偏置电流的定义

首先,我们来了解一下什么是输入偏置电流。一个理想的运算放大器(op amp)是不应有任何电流流入其输入端子的。但在现实中的运放却做不到这一点。通常,产品数据手册中的输入偏置电流(IIB)规范量化了这种非理想的电流。输入偏置电流会在输入端产生额外的失调压降,从而导致输出端的失调误差。对大多数应用来说,该误差可以忽略不计,但在某些情况下有必要将之纳入考量。

传统的运算放大器由双极结型晶体管(BJT)制成。对于双极运算放大器(例如LM324),当输入差分晶体管导通时,少量电流会在基极和发射极之间流动。换句话说,基极-发射极电流是偏置晶体管所需的电流量。该电流通常为纳安或微安级别。对于一个PNP输入对,电流从输入晶体管流出,双极放大器的PNP简化输入级如图1所示。对于一个轨到轨输入双极运算放大器,将使用一个额外的NPN输入对,电流将流入NPN输入级。

图1:双极运算放大器的简化输入级演示了输入偏置电流如何影响放大器输出。

不过,当今大多数新型放大器都采用CMOS晶体管。通过使用MOSFET,栅极与传导通道物理上隔离,以产生真正高阻抗的输入。这类放大器实际上不存在输入偏置电流。但其数据手册中却仍会注明输入偏置电流参数。在这种情况下, CMOS放大器的所谓输入偏置电流主要是来自ESD结构、保护二极管和(或)寄生结的漏电流。因此,CMOS放大器(例如NCS20071)将比双极放大器具有更低的输入偏置电流。对于CMOS运算放大器来说,输入偏置电流在不同条件下可以正向或反向流动。图2显示了具有PMOS输入的CMOS运算放大器的典型简化输入级。

图2:CMOS运算放大器的简化输入级显示出漏电流作为输入偏置电流来源。

CMOS运算放大器中的每个输入引脚都有自己的输入偏置电流,IN +和IN-引脚可能具有不同的输入偏置电流值。数据手册中可能会标明其中一个输入引脚的IIB电流,用IIB+ 表示IN +,或者用IIB- 表示IN-。然后,用这两个输入电流之间的数学差表示输入失调电流IOS。

在数据手册中,输入偏置电流的方向不一定会标明,可能仅标出绝对值,因此电流可能是流入或流出引脚的。除非另有说明,否则均认为IIB 和IOS 是绝对值。输入偏置电流也是可能变化的。图3显示了NCS20071的输入偏置电流随输入共模电压的变化而变化。

图3:输入偏置电流(IIB )和输入失调电流(IOS )将随运算放大器所施加的共模电压而变化。

输入偏置电流的影响

这些输入偏置电流会影响放大器的输出。如果一个大电阻与运算放大器输入端串联,则IIB 会流经它并产生一个失调电流。在图4所示的原理图中,在IIB = 10 nA的电压跟随器电路(也称为单位增益缓冲电路)上接入一个1 MΩ的电阻,将会在电阻两端产生额外的10 mV压降,从而导致 10mV的输出误差。

图4: 输入偏置电流在单位增益电路中产生电压失调

为了消除IIB产生的任何失调电压,有时电路设计人员会尝试匹配运算放大器的同相和反相输入端子上的输入电阻,如图5所示。但是,如果偏置电流不匹配 ,则产生的输入失调电流IOS 仍然会导致额外的输入失调电压。该失调电压会导致输出端的误差,在某些精密应用中这会造成隐患,因为在这类应用中即使是非常小的输入信号都会被测量。

图5:如果两个输入端子具有相同的输入偏置电流且输入失调电流最小时,输入电阻匹配可以减小输入偏置电流的影响。

对电流检测放大器的影响

对专用电流检测放大器来说,尤其需要考虑输入偏置电流的影响。许多电流检测放大器都具有专用架构,允许输入高于电源电压(例如NCS210R)。尽管这一点对许多应用而言是有利的,但由于前文所述的原因,它要求电路吸收额外增加的输入电流(通常在几十微安的范围内),从而使电路对外部输入电阻更加敏感。图6演示了这一点,其中,用于扩展共模范围的“附加电路”产生了很大的输入偏置电流(用红色文字表示)。在该电路上增加较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:由于电流检测放大器的偏置电流很大,外部电阻应不高于10 Ω

采用这种架构,输入偏置电流仅对外部电阻有效。内部电阻R1和R3上没有IIB 电流经过。由于差动放大器的标准增益方程式假设流经外部电阻和内部电阻上的电流相同,因此增益与预期值有些不符。结果,标准方程式仅能得到所产生增益的近似值,用“约等于”来表示:

外部电阻还抵消了内部增益电阻的精度比匹配(precision ratio-matching)所产生的高增益精度。这种类型的电流检测放大器架构依靠内部电阻比来设置增益,而不是依靠电阻的绝对精度。即使所有内部电阻都比标称值高+ 10%,比例匹配也意味着,增益将保持在数据手册中的增益误差规格范围(±1%)之内。外部电阻即使精度很高,也可能导致整个比例匹配失调。这意味着增加输入电阻实际上会产生复合效应,会由于电阻比失配以及IIB造成增益误差。

不仅如此,IOS还会产生额外的失调电压误差,安森美半导体的一个应用工程案例证实了这一点。在该案例中,客户想定制电流检测放大器的增益,他通过在高侧电流检测电路中添加1kΩ电阻与NCS210R的输入串联来实现,其原理图如图7所示。但结果却差强人意。实际调整后的增益为167 V/V,而不是NCS210标准的200 V/V增益(标准增益值通过假设的理想电阻和标准增益方程式简单计算得出)。

图7:输入偏置电流的差异将产生输入失调电流IOS。而外部电阻产生的额外输入失调电压(用VIN表示)也将添加到公式中,所产生的误差将大于原有的输入失调电压。

加上外部电阻后,IOS产生了显著的影响,甚至超过了内部失调电压VOS。如数据手册所称,NCS210R的典型输入失调电流为IOS = 0.1 µA。该电流在放大器的输入端增加了1kΩx±0.1 µA =±100 µV的误差(典型值)。在这种情况下,典型的输入失调电流产生的输入失调电压甚至大于产品数据手册中所列的最大输入失调电压VOS  = ±35 µV。而这两个输入失调电压实际上都会乘以增益,并作为误差加到输出端。

尽管客户设计人员可能想到了因VOS 产生的±6 mV输出误差,但他忽略了IOS  也会增加至少±17 mV的附加输出误差这一事实。如果IOS 大于数据手册中标出的典型值,则该误差会更大。

针对这一问题的解决方案非常简单。如果NCS210R的200 V/V标准增益对其应用而言太高,则需要使用100 V/V版本的放大器(NCS214R),而无需添加任何外部电阻。这将消除由IOS 引起的任何误差。而且,还需要相应地增加检测电阻的值,以便在输出端维持相同的电压,这样也将减少由于输入失调电压而导致的总误差。不过这个方案也有缺陷,当检测电阻值增加时,会有少许功耗。

使用这种架构的电流检测放大器时,需要记住的关键点是:只要电流检测放大器未添加任何外部电阻,固有的IIB 和IOS 就不会产生有害影响!

对精密运算放大器的影响

如果电流检测应用需要一个特定的增益值,而该增益值通过现有的集成电流检测放大器无法获得,则采用精密运算放大器可能是一个解决方案,例如采用NCS21911。为执行电流检测功能,可以将精密运算放大器视为具有外部增益网络的差动放大器。这种方法的难点在于实现增益网络中电阻之间的高匹配度,以建立所需的增益精度和CMRR。而精确匹配的电阻成本可能高昂。不过,在对增益有特定要求的应用中,该解决方案有可能减少由输入偏置电流产生的误差。

需要注意的是,精密放大器具有自己独特的输入偏置电流特性,常用的零漂移架构可对输入进行周期性采样,并对其进行校正。这样导致的后果是,由于电容和开关上的电荷注入和时钟馈通,输入端会出现电流尖峰。数据手册中列出的IIB 是一个平均直流值,但电流尖峰是存在的。在这种情况下,不建议使用非常大的外部输入电阻。如果必须使用,可以添加一个截止频率低于斩波频率的简单RC滤波器,用来最大程度地减小电压尖峰。这种固有特性限制了零漂移放大器作为跨阻放大器的应用。不过,零漂移放大器仍然是电流检测应用的可靠选择。

结语

对于大多数应用,输入偏置电流通常不被视为重要参数。尽管如此,它仍然会在某些情况下对性能产生重大影响,了解它对于成功设计至关重要。通过了解输入偏置电流如何产生额外的输入失调电压因数,电路设计人员可以更好地保证精密应用的最佳精度。

作者:Farhana Sarder,安森美半导体应用工程师

责编:Amy Guan

本文为《电子工程专辑》2020年7月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅 

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