運放-4-偏置電流Ib與失調電流Ios(1)

今天來(lái)說(shuō)一說(shuō)運放的偏置電流和失調電流，我們還是帶著(zhù)問(wèn)題看，先想想下面幾個(gè)問(wèn)題：

1、為什么不同運放的偏置電流差這么多？原因是什么？

2、運放輸入端偏置電流方向是什么樣的呢？是可以流進(jìn)，也可以流出的嗎？

3、實(shí)際應用中偏置電流是如何引起誤差的呢？

4、實(shí)際應用中失調電流是如何引起誤差的呢？

5、電路設計時(shí)應該如何考慮偏置電流和失調電流的影響呢？

要想回答上面這些問(wèn)題，我們首先需要了解偏置電流和失調電流到底是怎么產(chǎn)生的。

偏置電流、失調電流是什么

我們前面說(shuō)過(guò)，理想運放的同相端和反相端的輸入電流為0，所以才有“虛斷”的說(shuō)法，但是實(shí)際運放的輸入管腳都會(huì )流入或流出少量的電流，并且經(jīng)常同相端的電流和反相端的電流還不相等。

我們如果將流入同相端的電流用Ib+表示，流入反相端的電流用Ib-表示，那么放大器的輸入偏置電流Ib就是Ib+和Ib-的平均值，即Ib=(Ib+ + Ib-)/2。

可以看到，偏置電流就是同相和反相端電流的平均值，而失調電流，衡量的是2相電流之間的差異。

我們還是以前幾期的LM2904舉例子，如下圖：

圖中標注IB就是LM2904的輸入偏置電流，典型值為-20nA，Ios為輸入失調電流，典型值為2nA。失調電流是偏置電流的十分之一，說(shuō)明這個(gè)放大器同相端和反相端的電流還是比較接近的。

那么偏置電流是如何產(chǎn)生的呢？

偏置電流的來(lái)源

顯然，偏置電流取決于流入或流出放大器同相端和反相端電流的大小，這自然和放大器輸入級的構造晶體管類(lèi)型有莫大的關(guān)系。

我們知道，晶體管有好幾種，比如雙極性晶體管BJT，結型場(chǎng)效應晶體管（JFET）和金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管（MOSFET）。然后它們又分什么NPN，PNP，N溝通，P溝道，這樣算起來(lái)種類(lèi)還是不少的。

就輸入阻抗而言，一般是MOSFET>JFET>BJT的，我是怎么記住這個(gè)的呢？我沒(méi)有刻意去記住，而是理解的方式，腦子里面回想下這幾個(gè)管子的結構也就出來(lái)了，這里也分享一下。

大體是這樣的：

BJT三極管我們應該都比較熟，其是電流驅動(dòng)的，其放大的時(shí)候，要給它合適偏置，b和e之間是有正向電壓的，是一個(gè)有正向壓降的PN結，處于放大區的時(shí)候里面是有電流流動(dòng)的。

JFET分立管子用得非常少，我到目前還沒(méi)用過(guò)這個(gè)，但是教材上都有這個(gè)器件的結構，集成運放也是有這種結構的，其工作的時(shí)候，輸入端也可以理解為一個(gè)PN結，不過(guò)是反偏的（通過(guò)反偏控制耗盡區的厚度來(lái)控制導電溝道的寬度），也就是說(shuō)電流很小。但是我們知道施加反向電壓的PN結也是會(huì )漏電的，就像我們用的二極管，也會(huì )有漏電流這個(gè)參數。顯然，這個(gè)電流要一般比三極管的輸入電流Ibe要小，那么其直流輸入阻抗也就比其要大。

MOSFET我們用得比較多，其柵極與襯底極是二氧化硅絕緣體，既然稱(chēng)為絕緣體，那阻抗就是非常大了，基本沒(méi)有電流，因此，它的直流輸入阻抗是最高的。

大概總結下：BJT放大時(shí)輸入端是正向的PN結，電流較大；JFET放大時(shí)輸入端是反向的PN結，電流主要是漏電流，很??；CMOS放大時(shí)輸入端是絕緣的，直流電流最小。

扯得有點(diǎn)遠，其實(shí)說(shuō)這個(gè)主要是因為我在網(wǎng)上看到幾款放大器芯片的偏置電流表格，它們之間差異是很大的，如下表：

可以看到，不同放大器直接的偏置電流差異很大，從pA到nA級別，成千上萬(wàn)倍的差異。  

OPA627-JFET-5pA：

OPA350-CMOS-10pA：

OPA211-BJT-125nA：

結合前面的表格，大致可以看出2點(diǎn)：

1、Bipolar結構的偏置電流Ib是最高的， nA級別；而JFET和CMOS差不多，都是pA級別的（有特殊處理的除外）。

2、JFET和CMOS的溫漂非常嚴重，溫度最高值相對于典型值有幾百倍甚至上千倍，也就是溫漂非常高（OPA129，OPA333專(zhuān)門(mén)處理過(guò)的除外），而B(niǎo)JT（Bipolar）溫漂相對較小，最高溫度時(shí)相對典型值也就2-3倍左右。

結合前面的表格，這里不禁有兩個(gè)疑問(wèn)：

1、前面不說(shuō)CMOS的輸入阻抗要比JFET的阻抗要高嗎？為啥偏置電流差不多呢？

2、為啥CMOS和JFET結構的偏置電流溫漂達到幾百上千倍，而B(niǎo)JT（Bipolar）結構的偏置電流溫漂只有2-3倍？

這兩個(gè)問(wèn)題可以在TI的文檔《有關(guān)運算放大器設計主題的博客文章匯編》里面的第8節和第9節找到答案。

文檔下載鏈接是這個(gè)：

https://www.ti.com.cn/cn/lit/eb/zhct321/zhct321.pdf?ts=1676037417171

    意思大致如下：

    因為CMOS和JFET的輸入阻抗太高了，導致很容易受到靜電導致?lián)舸p壞，所以一般都會(huì )加上ESD管。

    如下圖的CMOS輸入結構。因為CMOS本身柵極是絕緣的，說(shuō)流入電流基本為0沒(méi)問(wèn)題，即阻抗特別特別高。但是因為ESD保護加了保護二極管子D1和D2，正常情況下，它倆都是反偏的，那么就有反向漏電流，這個(gè)電流自然比CMOS本身柵極絕緣體的電流要高，因此，實(shí)際CMOS的偏置電流就由這兩個(gè)管子的差值決定。

這其實(shí)也就解釋了上面的第一個(gè)問(wèn)題——為什么CMOS和JFET結構的放大器，偏置電流量級是差不多的？因為它們的偏置電流都是反偏PN結的漏電流形成的。

除此之外，我們還可以看到下面這些：

根據基爾霍夫電流定律，輸入節點(diǎn)電流和為0，我們忽略CMOS柵極絕緣體（gs之間）基本為0的電流，那么流進(jìn)放大器的電流就是下管電流減去上管電流。

并且容易想到，如果Vin輸入電壓靠近正電源軌道+Vs，那么上管D1的反向電壓就比較小，而D2的反向電壓就比較大，如果D1和D2的工藝完全一樣，比如D1的漏電電流要小于D2的漏電流，那么自然IB就是流進(jìn)放大器的，即IB為正值。

反之，如果Vin的輸入電壓靠近負電源軌-Vs，那么D1的電壓就要大于D2電壓，D1的電流也就大于D2的電流，那么IB就是流出放大器，即IB為負值。

因此我們最終看到右邊的曲線(xiàn)，IB在靠近-Vs時(shí)是負的，而靠近+Vs時(shí)是正的。這說(shuō)明什么呢？說(shuō)明了，這個(gè)放大器的偏置電流的方向，還跟輸入端的共模電壓有關(guān)系。

      我們再看JFET的輸入極

前面JFET的結構我們已經(jīng)知道了，N溝通的JFET處于放大的時(shí)候，輸入級電流是往外流的，當然，D1和D2依然有漏電流。

但是TI文檔《有關(guān)運算放大器設計主題的博客文章匯編》里面指出：輸入晶體管的柵極是一個(gè)二極管結，它的泄漏電流通常為輸入偏置電流的主導來(lái)源。輸入柵極結通常更大，因此泄漏電流也比保護二極管更大。因此，輸入偏置電流更多的時(shí)候是單向的。它可能會(huì )發(fā)生變化，具體取決于放大器。

所以JFET輸入級的偏置電流是單向的，是往外流的。

這里發(fā)覺(jué)得好像有一個(gè)錯誤，因為上圖中OPA140曲線(xiàn)中的IB都是正值，按理說(shuō)往運放外部流應該是負值，上圖中左邊的英文解釋?zhuān)↖b would likely flow of N-channel JFET）也說(shuō)明了這個(gè)電流是往外的。

溫漂的問(wèn)題

至于前面提到的為什么CMOS和JFET輸入級的偏置電流溫漂這么大，到這里應該就是顯然的問(wèn)題了，因為它倆產(chǎn)生的原因都是PN結的反向漏電流。

這玩意跟二極管的反向漏電流的溫漂一樣：溫度每升高10℃，漏電流增加1倍，典型值一般是25℃時(shí)候的，溫度升高到125℃，那么就有10個(gè)10℃，增加的倍數就是2^10=1024，這可不就上千倍了嘛。

bipolar結構的溫漂為什么這么小呢？大概只有2~3倍左右的樣子，這個(gè)也比較容易看出來(lái)。以前面的OPA211為例子。

可以看到，輸入級底下是個(gè)恒流源，雖然它也是晶體管構成的，有溫漂，但肯定不會(huì )發(fā)生數量級的變化，那么輸入級的兩個(gè)晶體管的Ic電流也就不會(huì )飄得太多，最終輸入偏置電流IB也就不會(huì )飄得太多。

推薦一本正在看的書(shū)——《運算放大器參數解析與LTspice應用仿真》，還不錯，運放的各種參數講得挺明白，還有實(shí)例。

小結

本期主要說(shuō)了下運放輸入偏置電流是咋形成的，沒(méi)想到寫(xiě)的還挺長(cháng)，因為我也是邊寫(xiě)邊查邊想，發(fā)現不知道的也就再去查查看看。至于開(kāi)篇提到的5個(gè)問(wèn)題，這篇內容也就只能回答2個(gè)，剩下的3個(gè)留著(zhù)下次吧。

小結如下：

1、不同運放的偏置電流差異很大，是因為其輸入級的構造不同，簡(jiǎn)單說(shuō)就是它是用的BJT，還是JFET，還是CMOS。其中BJT的偏置電流最大，在nA級別，JFET和CMOS差不多，在pA級別（有專(zhuān)門(mén)的處理的除外）。

2、BJT結構的偏置電流溫漂較小，而JFET和CMOS因為其偏置電流都是由PN結反向漏電流形成的，因此溫漂較大。

3、不同運放偏置電流的反向特性是不一樣的，有的都是向里，有的是向外，也有跟共模電壓有關(guān)系的，能里能外。

?？次椅恼碌男值軅儜撝?，我一向是寫(xiě)我是怎么想的，怎么查的，并不直接擺結論，很多觀(guān)點(diǎn)其實(shí)是結合我自身的知識體系，作出的一些延展，個(gè)人理解，目前來(lái)說(shuō)，我自認為它們都是正確的，因為可以融入到我的知識體系。