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运放的输入偏置电流

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sinasun|  楼主 | 2023-2-19 18:32 | 显示全部楼层 |阅读模式
虽然运放型号各种各样,各家厂商推出的运算放大器性能与规格互有差异,但是一般而言标准的运算放大器都包含下列三个部分:
差动输入级
以一差分放大器作为输入级,提供高输入阻抗以及低噪声放大的功能。
增益级
运算放大器电压增益的主要来源,将输入信号放大转为单端输出后送往下一级。
输出级
输出级的需求包括低输出阻抗、高驱动力、限流以及短路保护等功能。
作为输入级电路就是运放偏置电流的来源,一般在规格书中是以input bias current这个参数出现,同相端和反相端的输入偏置电流一般也是不一样的,但是近似相等。在规格书中也不会单独给出同相端Ib1和反相端的输入偏置电流Ib2。规格书中给出的input bias current是两者的平均值。两者的差值Ib1-Ib2定义为输入失调电流。
2057663f1faaccf9d8.png
根据这份规格书,可知(Ib1+Ib2)/2=2pA,  Ib1-Ib2=2pA
计算就能得到Ib1=3pA, Ib2=1pA,  至于Ib1Ib2到底是同相还是反相输入端的,就不一定的,是具有一定随机性的。从计算的偏置电流数量级-pA也可以看出,输入级差分对是FET结构,阻抗很高。但是Datasheet给的原理框图中,画的输入级是常见的BJT符号,这个框图符号仅仅是一个指示,在实际芯片制作的时候是另一个器件,需要根据参数去推断框图中实际使用的器件,
9854863f1fab951c48.png
如果运放输入级是BJT,偏置电流的数量级是nAuA
运放输入级是FET,偏置电流的数量级是pA
从大部分规格书中,都给出最大的偏置电流参数,所以这个参数的变化范围还是挺大的。输入偏置电流的变化会对输出电压有比较大的影响。下图是一个简单的同相放大电路
2620363f1fac523730.png
利用叠加原理:
IB10IB2=0,同相输入端的电压V+=-IB1*R3)此时得到输出Vo1=(1+R2/R1)*V+
IB20IB1=0,此时同相输入端没有电流流过,同相输入端电压为0
根据虚短,反相输入端也是0。那么反相输入的偏置电流只能流过R2
此时得到输出Vo2=R2*IB2
所以在偏置电流作用下,输出电压Vo=Vo1+Vo2
在实际应用中,可以将IB1=IB2,所以Vo=IB1*R2-R3*(1+R2/R1)
只要R2=R3*(1+R2/R1),那么在偏置电流作用下,输出电压就是0。在无信号输入的情况下,输出也是零。再进一步分解上面的式子,就会得到R3的阻值是R1R2的并联结果。这就是我们在电路设计中的要求的原因:消除输入偏置电流的影响;
由于偏置电流IB1IB2并不相等,所以电路设计中R3=R1//R2, Vo=R2*(IB1-IB2)
根据定义失调电流Ios=IB1-IB2, 所以即使R3=R1//R2,在零输入的情况下,输出还是有电压的。此时静态输出电压就受到R2的阻值和Ios失调电流大小决定。这也就是为什么电路设计中R2阻值不能取得过大的原因之一。
在产品设计中,如果要求静态输出电压小,最好选择FET作为输入级,此时R2根据其他设计指标要求取得过大,静态输出电压依然会很小。以AD824为例,同相放大电路设计,R2=100KIos_max=4000pAVo_static=0.4mV, 对于一般电路设计,静态输出电压是比较小的。Ios_max=4000pA这是在最高温度条件下得到,一般工作温度下实际只有12pAVo_static=1uV左右。
尽管实际电路很少关注运放这些参数,但是这些参数和电路设计中的指标是息息相关的,掌握了这些参数的含义,做电路设计才有的放矢。
   

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王栋春| | 2023-2-19 22:40 | 显示全部楼层
做为模电技术里面最难和最关键的知识点,运放非常高深。

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储小勇_526| | 2023-2-20 08:39 | 显示全部楼层
除了偏置电流还有失调电压的影响呢,这种不可调0的运放输出肯定存在偏差,就看如何设计纠偏电路了,或者软件做补偿。

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woai32lala| | 2023-2-20 10:24 | 显示全部楼层
不错,学习了

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