《运算放大器参数解析与LTspice应用》 第2章：2.1~2.3

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2.3　偏置电流与失调电流放大器存在失调电压会呈现“虚短”，而“虚断”则与放大器的偏置电流相关。

2.3.1　偏置电流与失调电流的定义
真实放大器在输入管脚都会吸收少量电流。在某些应用中，这些电流可能导致误差而影响电路的精度，或者导致电路工作异常。

如图2-25所示，放大器的同相输入端流过的电流为Ib+，反相输入端流过电流为Ib-。放大器的输入偏置电流（Input Bias Current，Ib）定义为流过两个输入端电流的均值，见式2-11。

如图2-26所示，失调电流、偏置电流所导致的电路直流噪声，是Ib+、Ib-分别流入放大器的同相、反相输入端的电阻网络形成的电压差。在噪声增益的作用下，放大器的输出端产生输出直流噪声EO见式2-15。

放大器偏置电流的值大小不一，新一代静电计类ADA4530放大器的偏置电流的最大值为20 fA（25℃），高速放大器偏置电流可达数十微安，普通的精密放大器偏置电流约在纳安级。失调电流值通常小于偏置电流值。如表2-2所示，在25℃环境下，以±15V为工作电源时，对比第一代精密放大器OP07与第六代精密放大器ADA4077的偏置电流与失调电流。在相同电路中，如果使用封装兼容的ADA4077替换OP07，由失调电流、偏置电流引起的输出直流误差将显著下降。

偏置电流参数也会随温度变化，在工作温度范围较大的应用中需要结合温度条件评估偏置电流的参数。图2-27所示为ADA4077的输入偏置电流与温度关系，当电路使用±5V电源供电，在25℃环境工作时，Ib-为-0.21nA、Ib+为-0.39nA；温度上升到75℃后，Ib-变为-0.26nA、Ib+变为-0.47nA。

2.3.2　偏置电流案例分析
如上述偏置电流、失调电流经过输入端电阻网络形成一个失调电压，看起来只要匹配好的电阻网络，就可以有效降低偏置电流对电路的影响，其实不然，偏置电流的存在本身就值得关注，通过下面案例进一步理解。

2018年8月中旬，一位工程师反馈所设计的250kHz信号处理电路出现异常，电路第一级放大器输出信号是峰—峰值为0.2V、频率为250kHz的正弦信号。第二级电路如图2-28所示，使用AD8066设计为缓冲器电路，发现在输出端存在严重的失调电压。工程师认为电路使用交流耦合方式，应该避免了第一级放大器直流噪声的影响。

检视AD8066电路时未察觉异常情况，而故障复现的测试中，发现工程师所使用的AD8066测试电路如图2-29所示。即图2-28所示的电路中AD8066同相输入端IN网络里的电阻R4没有焊接。在交流耦合电路中，将导致AD8066偏置电流没有完整的直流回路，放大器内部晶体管缺少正确的静态工作点。找到问题原因，恢复焊接电阻R4，电路运行正常。

使用LTspice仿真图2-29所示的AD8066测试电路，瞬态分析结果如图2-30所示，缺少电阻R4的电路中，AD8066输出信号存在200mV的失调电压。

对图2-28所示的AD8066设计电路进行仿真，瞬态分析结果如图2-31所示。AD8066的输出不再复现失调电压。所以在放大器的设计中，必须保证偏置电流具有完整的直流回路。

2.3.3　偏置电流产生的原因
电压型反馈放大器的差分输入级晶体管包括双极性晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET）。以双极性晶体管为例，为保证放大器内部晶体管工作在线性区，必须提供基级偏置电压，或者提供基级电流，这是偏置电流产生的原因。与失调电压产生的原因相同，半导体工艺上难以做到输入级两个晶体管完全匹配，导致输入级晶体管的电流有差别，这就是失调电流。另外，在大规模生产中，放大器偏置电流的参数近似正态分布。图2-32所示为ADA4077的输入偏置电流分布。

偏置电流的流向（极性）：偏置电流在简单输入结构的放大器中是单向流动，它与输入级晶体管的类型有关。若输入级晶体管是NPN BJT型或P沟道JFET型时，Ib+、Ib-方向为流入晶体管体，如图2-33所示。若输入级晶体管是PNP结构双极性晶体管，或者N沟道JEFT型时，Ib+、Ib-方向为流出晶体管体。在复杂的输入结构时（如偏置补偿和电流反馈运算放大器），偏置电流可能是两个或以上内部电流源之间的差分电流，并且可能是双向流动。

最初的BJT型放大器的Ib+、Ib-值较大。例如，LM741工作在25℃环境中，偏置电流最大值为500nA，在电路设计中需要详细评估偏置电流对输出信号的影响。随着半导体工艺技术的发展，芯片内部降低偏置电流的技术已经成熟。由特定电路预估输入晶体管所需的基极电流，然后通过晶体管内部提供这些电流，使得在芯片外部看来好像放大器没有任何输入电流。OP07是使用内部偏置电流消除电路的第一代产品。在25℃环境中，OP07偏置电流最大值降低到4nA。

图2-34为OP07内部电路示意图，放大器输入级的核心差分对管是VT1、VT2，二者的基极电流被复制到共基极晶体管VT3、VT4的基极，然后被镜像电流源VT5/VT7、VT6/VT8检测到。这些镜像电流源反射这些电流，并将它们重新注入VT1、VT2的基极，由此抵消芯片外部的输入偏置电流。

对于JFET输入型放大器，由于场效应管是电压控制电流器件，所以其栅极电流是很小的。目前，JFET输入型放大器的每个输入端设计有ESD保护二极管。这两个二极管都有漏电流，而且一般比栅极电流大得多，这就是JFET型放大器偏置电流的来源。如两个输入端二极管的不完全匹配，还会造成输入失调电流。

ADA4627-1、ADA4637-1是JEFT输入型放大器。如图2-35所示，在25℃环境中，±15V电源供电时，偏置电流最大值为5pA，失调电流最大值为5pA，适用于光电二极管信号处理电路、自动测试设备以及医疗等场景。

2.3.4　偏置电流、失调电流的测量与仿真
偏置电流测量方法有多种，工程师倾向于在现有电路中实现测量的方法，避免增加额外测试电路。图2-36所示为ADA4077的偏置电流与失调电流测试电路，R1、R2是串联在放大器输入端的1MΩ电阻，用于感应Ib-与Ib+，通过控制开关S1和S2通断的状态分别测量Vos、Ib+、Ib-单独或者组合情况下，作为激励产生的相应输出直流噪声，进而计算出Ib+、Ib-，并最终得到Ib、Ios，测试操作步骤如下。

步骤一，测试放大器的输入失调电压对输出直流误差电压的影响。将开关S1和S2全部闭合，由于兆欧级电阻R1、R2被开关短路，Ib-流经R3、Ib+流经R5所引起的误差电压比失调电压误差通常小1%。因此，认为该状态下测量的放大器输出电压Vo1是由输入失调电压Vos所导致，其关系见式2-18。

步骤二，断开开关S2，开关S1保持闭合，此时待测放大器的Ib+流入R2，在放大器的同相输入端形成一个附加失调电压VIb+，它与放大器Vos在电路噪声增益的作用下，共同产生输出直流误差电压为Vo2，见式2-19。

步骤三，闭合开关S2，断开开关S1，而Ib-在R3与R1连接端形成另一个附加失调电压VIb-，它与放大器的Vos在电路噪声增益的作用下，共同产生输出直流误差电压为VO3，见式2-21。Ib-的电流流向为VO→R4→VIb-→R1→ADA4077反相输入端，可得式2-22。

2.3.5　偏置电流处理方法

如2.3.2小节案例所述，处理偏置电流首先要保证偏置电流的直流回路完整。在仪表放大器应用中，有众多传感器信号需要隔离处理。耦合方式包括电容耦合、电感耦合，在这些电路中偏置电流处理不当将引发电路异常。如图2-40所示，对比错误与正确的仪表放大器耦合电路结构图，以便工程师使用。关于仪表放大器使用方式的更多介绍可参阅3.1节。

其次，放大器输入端电阻匹配。如图2-26所示，使Ib+流过同相输入端电阻Rp引起的电压与Ib-流过反相输入端电阻R1和R2产生的电压相同来实现补偿。这样可以最大限度地减少直流误差，但是当偏置电流匹配不佳时，这种消除偏置方式适得其反。

第三，控制Ib+、Ib-流经回路的电阻阻值，或者选择低偏置电流的放大器。

2.3.6　放大器的总失调电压

通过2.3.4小节讲解偏置电流的测量方法，可以看出放大器的总失调电压是由放大器的输入端失调电压、偏置电流所导致，电路模型如图2-41所示。在进行总失调电压分析时，可以将其折算到输入（RTI）或者输出（RTO）电压。工程师依据设计习惯进行选择，其中RTO值更适合用来比较该级放大器与下一级放大器的净误差。式2-23为放大器的总输出失调电压Vos_RTO。