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。
說(shuō)完了偏置電流,失調電流就簡(jiǎn)單了。同失調電壓產(chǎn)生的原因相同,半導體工藝難以做到輸入兩個(gè)晶體管的完全匹配,導致流入輸入級晶體管的電流有差別,因此也就有了失調電流。

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。
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