輸入偏置電流是通常被忽略的放大器參數(shù)，會對放大器電路的輸出精度產(chǎn)生重大影響。有時影響很小，可以忽略不計，但有時可能導致電路完全失效。為諸如電流檢測或傳感器接口之類的精密應用設計的工程師應注意輸入偏置電流的影響，以確保設計可靠。

通常，精密應用中想到的關(guān)鍵參數(shù)是輸入失調(diào)電壓，失調(diào)漂移和CMRR。那么當放大器輸入通常被認為是高阻抗時，輸入偏置電流因數(shù)又如何呢？簡單的答案是，輸入偏置電流會在其路徑中的任何電阻上產(chǎn)生實質(zhì)上是寄生電壓的效應，放大器會放大這種效應。

輸入偏置電流的定義

首先，讓我們看一下輸入偏置電流的含義。理想的運算放大器（運放）沒有任何電流流入其輸入端子。但是現(xiàn)實生活中的運放卻可以。數(shù)據(jù)手冊中的輸入偏置電流（IIB）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，從而在輸出端導致失調(diào)誤差。對于大多數(shù)應用程序，此錯誤可以忽略不計，但是在某些情況下需要考慮這一錯誤。

從歷史上看，運算放大器是用雙極結(jié)型晶體管（BJT）制成的。對于雙極性運算放大器，例如LM324，當輸入差分晶體管導通時，少量電流在基極和發(fā)射極之間流動。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的范圍內(nèi)。對于PNP輸入對，電流從輸入晶體管流出，如圖1所示為雙極放大器的簡化PNP輸入級。在軌至軌輸入雙極性運算放大器的情況下，將使用額外的NPN輸入對，電流將流入NPN輸入級。

圖1雙極型運放的簡化輸入階段演示了輸入偏置電流如何改變放大器的輸出。

但是，當今大多數(shù)新型放大器都使用CMOS晶體管。使用MOSFET，柵極與傳導通道物理隔離，以創(chuàng)建真正高阻抗的輸入。這些類型的放大器沒有實際的輸入偏置電流。然而，這些放大器的數(shù)據(jù)手冊上仍使用輸入偏置電流參數(shù)。在這種情況下，CMOS放大器的所謂輸入偏置電流主要來自ESD結(jié)構(gòu)，保護二極管和/或寄生結(jié)。結(jié)果，諸如NCS20071之類的CMOS放大器將比雙極放大器具有更低的輸入偏置電流。對于CMOS運算放大器，根據(jù)條件的不同，輸入偏置電流可以有正向或負向流動。圖2顯示了具有PMOS輸入的CMOS運算放大器的典型簡化輸入級。

圖2CMOS運算放大器輸入級的簡化輸入級顯示了泄漏如何充當輸入偏置電流。

CMOS運算放大器中的每個輸入引腳都有自己的輸入偏置電流，IN +和IN-引腳可能具有不同的輸入偏置電流值。數(shù)據(jù)表可以通過輸入引腳之一指定IIB電流，方法是將其標記為IIB +表示IN +，或IIB-表示IN-。然后，將兩個輸入電流之間的數(shù)學差稱為輸入失調(diào)電流IOS。

在任何給定的數(shù)據(jù)表上，輸入偏置電流的流向都不總是確定的-數(shù)據(jù)表限制可能僅顯示絕對值-因此電流可能流入或流出引腳。除非另有說明，否則，假定IIB和IOS是絕對值。電流也可能改變。圖3顯示了NCS20071輸入共模電壓變化時輸入偏置電流的變化情況。

圖3輸入偏置電流（IIB）和輸入失調(diào)電流（IOS）將隨運放所施加的共模電壓而變化。

輸入偏置電流效應

這些輸入偏置電流會影響放大器的輸出。例如，如果有一個大電阻與運算放大器輸入串聯(lián)，則IIB流經(jīng)該電阻并增加一個失調(diào)。例如，考慮圖4所示的示意圖。在IIB= 10 nA的電壓跟隨器電路（也稱為單位增益緩沖電路）中輸入1MΩ的電阻會在電阻兩端產(chǎn)生額外的10 mV壓降，從而導致10mV的輸出誤差。

圖4輸入偏置電流在該單位增益電路中產(chǎn)生電壓偏移。

為了消除由IIB產(chǎn)生的任何失調(diào)電壓，有時電路設計人員會嘗試匹配運算放大器的同相和反相輸入端子所看到的輸入電阻，如圖5所示。但是，如果偏置電流不匹配，則產(chǎn)生的輸入失調(diào)電流（IOS）仍會產(chǎn)生額外的輸入失調(diào)電壓。IOS產(chǎn)生的失調(diào)電壓會導致輸出誤差，并且在測量非常小的輸入信號的精密應用中會引起關(guān)注。

圖5如果兩個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小輸入偏置電流的影響。

電流檢測放大器的注意事項

專用電流檢測放大器是要考慮的特殊情況。許多電流檢測放大器具有專門的架構(gòu)，例如NCS210R，其允許輸入高于電源電壓。盡管這對于許多應用是有利的，但由于前面討論的原因，它要求電路汲取增加的輸入電流（在幾十微安的范圍內(nèi)），從而使電路對外部輸入電阻特別敏感。圖6演示了這一點，其中允許擴展共模范圍的“附加電路”產(chǎn)生了以紅色文字表示的大輸入偏置電流。在該電路中增加大的外部電阻器意味著輸入偏置電流將在每個電阻器上產(chǎn)生更大的電壓。

圖6電流檢測放大器的偏置電流很大，因此外部電阻最多應保持在10Ω

采用這種架構(gòu)，輸入偏置電流僅對外部電阻有效。內(nèi)部電阻R1和R3沒有我IB在它們之間流動。由于差動放大器的標準增益方程式假設流經(jīng)外部和內(nèi)部電阻器的電流相同，因此增益與預期值會有些失真。結(jié)果，標準方程式僅變?yōu)樗迷鲆娴慕浦?，如近似等號所示?/p>

外部電阻器還抵消了內(nèi)部增益電阻器的精確比率匹配所產(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)部電阻都比標稱值高+ 10％，比率匹配也意味著增益將在數(shù)據(jù)手冊的±1％增益誤差規(guī)格范圍內(nèi)。外部電阻即使精度很高，也可能使整個比率匹配失效。這意味著添加輸入電阻器實際上會產(chǎn)生復合效果，由于電阻器比率不匹配以及由于IIB造成增益誤差，這已在上一段中進行了討論。

在這些錯誤之上，額外的失調(diào)電壓誤差是由于由我創(chuàng)建OS作為最近安森美半導體應用工程案例，演示。該客戶是一名工程師，他想通過在高端電流檢測電路中與NCS210R的輸入串聯(lián)添加1kΩ電阻來定制電流檢測放大器的增益，其原理圖如圖7所示。但是結(jié)果卻不是客戶期望的。實際調(diào)整后的增益為167 V / V，而不是NCS210的標準200 V / V增益，為簡單起見，假設理想電阻和標準增益方程式計算得出。

圖7輸入偏置電流的差異將導致輸入失調(diào)電流IOS。加上外部電阻，將增加的輸入失調(diào)電壓（以VIN表示）添加到公式中，產(chǎn)生的誤差大于僅輸入失調(diào)電壓。

由于增加了外部電阻，該IOS有這樣抵銷甚至內(nèi)部偏移電壓，V一顯著效果OS。NCS210R的典型輸入失調(diào)電流為IOS= 0.1 μA，如數(shù)據(jù)手冊所述。該電流在放大器的輸入端增加了1kΩx±0.1 μA =±100 μV的誤差（典型值）。在這種情況下，典型的輸入失調(diào)電流會產(chǎn)生一個甚至大于產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊中列出的最大輸入失調(diào)電壓VOS=±35 μV的輸入失調(diào)。這兩個輸入失調(diào)電壓實際上都乘以增益，并作為誤差加到輸出上。

盡管客戶的設計人員可能會因VOS產(chǎn)生±6 mV的輸出誤差，但他們忽略了IOS會增加至少±17 mV的附加輸出誤差這一事實。如果IOS大于數(shù)據(jù)手冊中指出的典型值，則該錯誤會變得更大。

解決客戶問題的方法非常簡單。如果NCS210R的200 V / V的標準增益對于他們的應用來說太高了，他們將需要使用100 V / V版本的放大器（NCS214R），而無需添加任何外部電阻。這種缺席將消除IOS的任何錯誤。然后，它們將必須相應地增加檢測電阻器的值，??以在輸出端保持相同的電壓，這也將減少由于輸入失調(diào)電壓而導致的總誤差。這里的權(quán)衡是，當其值增加時，在檢測電阻上會損失更多的功率。

使用具有此架構(gòu)的電流檢測放大器時要記住的關(guān)鍵點是：只要在電流檢測放大器中未添加外部電阻，本征IIB和IOS就不會產(chǎn)生有害影響！

精密運算放大器的注意事項

對于需要特定增益值的電流檢測應用來說，該增益值在集成電流檢測放大器中不容易獲得，一種可能的解決方案是精密運算放大器，例如NCS21911。為了執(zhí)行電流檢測功能，可以將精密運算放大器實現(xiàn)為具有外部增益網(wǎng)絡的差動放大器。這種方法的挑戰(zhàn)是要在增益網(wǎng)絡中的電阻之間實現(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。但是，在具有非常特定的增益要求的應用中，該解決方案可以潛在地減少由輸入偏置電流產(chǎn)生的誤差。

重要的是要注意，精密放大器可以具有自己獨特的輸入偏置電流特性。精密放大器中常用的零漂移架構(gòu)是通過定期對輸入進行采樣并對其進行校正來實現(xiàn)的。結(jié)果，由于電容器和開關(guān)上的電荷注入和時鐘饋通，輸入端會出現(xiàn)電流尖峰。在我IB數(shù)據(jù)表上列出的是一個平均DC值，但那里有電流尖峰。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，可以添加一個截止頻率低于斬波頻率的簡單RC濾波器，以最大程度地減小電壓尖峰。這種固有的行為限制了零漂移放大器不能用作跨阻放大器。但是，零漂移放大器仍然是電流檢測應用的可靠選擇。

結(jié)論

對于大多數(shù)應用，輸入偏置電流通常不被視為重要參數(shù)。即使這樣，在某些情況下它的確會對性能產(chǎn)生重大影響，并且了解它對于成功設計至關(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)電壓因數(shù)，電路設計人員可以了解如何為精密應用確保最佳精度。

關(guān)于作者

Farhana Sarder是安森美半導體的應用工程師。她以模擬電路設計為背景，專門研究放大器產(chǎn)品，包括精密運算放大器，電流檢測放大器和比較器。她擁有電氣工程碩士學位。

編輯：hfy