輸入偏置電流是一個通常被忽視的放大器參數(shù)，它會對放大器電路的輸出精度產(chǎn)生重大影響。有時這種影響小到可以忽略不計，但有時它會導致電路完全失效。設計電流傳感或傳感器接口等精密應用的工程師應了解輸入偏置電流效應，以便確保設計穩(wěn)健。
    通常，精密應用中需要考慮的關(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，輸入偏置電流因素如何影響呢？簡單的答案是，輸入偏置電流在其路徑中的任何電阻上產(chǎn)生本質(zhì)上是寄生電壓，并且其影響被放大器放大。
    輸入偏置電流的定義
    首先，我們來看看輸入偏置電流意味著什么。理想的運算放大器（op amp）沒有任何電流流入其輸入端；但現(xiàn)實生活中的運算放大器確實如此。數(shù)據(jù)表中的輸入偏置電流 (I IB ) 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，從而導致輸出端出現(xiàn)失調(diào)誤差。對于大多數(shù)應用程序，此錯誤可以忽略不計，但在某些情況下，需要考慮這一點。    歷史上，運算放大器是用雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 構(gòu)建的。對于雙極運算放大器，例如LM324，當輸入差分晶體管導通時，基極和發(fā)射極之間有少量電流流動。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范圍內(nèi)。對于 PNP 輸入對，電流從輸入晶體管流出，如圖1顯示的雙極放大器的簡化 PNP 輸入級。在軌到軌輸入雙極運算放大器的情況下，將使用額外的 NPN 輸入對，并且電流將流入 NPN 輸入級。

    輸入偏置電流對精密測量很重要
    圖 1這個簡化的雙極運算放大器輸入級演示了輸入偏置電流如何改變放大器輸出。
    然而，現(xiàn)在大多數(shù)新型放大器都使用 CMOS 晶體管。對于 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)表中仍然使用輸入偏置電流參數(shù)。在這種情況下，所謂的 CMOS 放大器的輸入偏置電流主要是來自 ESD 結(jié)構(gòu)、保護二極管和/或寄生結(jié)的泄漏。因此，諸如NCS20071之類的 CMOS 放大器的輸入偏置電流將比雙極放大器低得多。對于 CMOS 運算放大器，輸入偏置電流根據(jù)條件可以有正流或負流。圖2顯示了具有 PMOS 輸入的 CMOS 運算放大器的代表性簡化輸入級。    輸入偏置電流對精密測量很重要

    圖 2這個 CMOS 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運放的每個輸入引腳都有自己的輸入偏置電流，IN+和IN-引腳可能有不同的輸入偏置電流值。數(shù)據(jù)表可以通過將其標記為 I IB+（表示 IN+）或 I IB-（表示 IN- ）來指定通過其中一個輸入引腳的I IB電流。兩個輸入電流之間的數(shù)學差稱為輸入失調(diào)電流 I OS。
    在任何給定的數(shù)據(jù)表中，輸入偏置電流的方向并不總是被定義——數(shù)據(jù)表限制可能只顯示絕對值——因此電流可能流入或流出引腳。除非另有說明，否則假設I IB和I OS是絕對值。電流也可能發(fā)生變化。圖 3顯示了 NCS20071 輸入偏置電流如何隨著輸入共模電壓的變化而變化。    輸入偏置電流對精密測量很重要

    圖 3輸入偏置電流 (IIB) 和輸入失調(diào)電流 (IOS) 將隨運算放大器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，如果運算放大器輸入串聯(lián)一個大電阻，則 IIB流過該電阻并增加偏移。例如，請考慮圖 4中所示的原理圖。將 1 MΩ 輸入電阻器輸入IIB = 10 nA 的電壓跟隨器電路（也稱為單位增益緩沖電路）會在電阻器上產(chǎn)生額外的 10 mV 壓降，從而產(chǎn)生 10 mV 輸出誤差。    輸入偏置電流對精密測量很重要

    圖 4輸入偏置電流在此單位增益電路中產(chǎn)生電壓偏移。    為了消除 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非反相和反相輸入端子所看到的輸入電阻，如圖 5所示。然而，如果偏置電流不匹配，所產(chǎn)生的輸入失調(diào)電流（IOS ）仍然會產(chǎn)生額外的輸入失調(diào)電壓。I OS產(chǎn)生的偏移電壓會導致輸出誤差，并且可能成為測量非常小的輸入信號的精密應用中的一個問題。

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    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少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需要考慮的特殊情況。許多電流檢測放大器都有專門的架構(gòu)，允許輸入高于電源電壓，例如NCS210R。雖然這對許多應用來說是有利的，但它要求電路吸收增加的輸入電流（在數(shù)十微安的范圍內(nèi)），使得電路對外部輸入電阻特別敏感，原因如上所述。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)生了紅色文本中所示的大輸入偏置電流。向該電路添加大的外部電阻意味著輸入偏置電流將在每個電阻上產(chǎn)生更大的電壓。

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    圖 6電流檢測放大器有很大的偏置電流，因此外部電阻最多應保持在 10 Ω    采用這種架構(gòu)，輸入偏置電流僅對外部電阻器產(chǎn)生影響。內(nèi)部電阻器 R1 和 R3 沒有 I IB流過它們。由于差分放大器的標準增益方程假設外部和內(nèi)部電阻器上的電流相同，因此增益與預期值有些失真。因此，標準方程只是所得增益的近似值，如近似等號所示：

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    外部電阻器還會抵消內(nèi)部增益電阻器的精密比率匹配所產(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)部電阻都偏離標稱值 +10%，比率匹配也意味著增益將在數(shù)據(jù)表的 ±1% 增益誤差規(guī)格范圍內(nèi)。外部電阻器，即使具有高精度，也可能會破壞整個比率匹配。這意味著添加輸入電阻實際上會產(chǎn)生復合效應，由于電阻比不匹配以及 I IB而產(chǎn)生增益誤差，這在上一段中已討論過。
    除了這些誤差之外， IOS還會產(chǎn)生額外的失調(diào)電壓誤差，正如最近的安森美半導體應用工程案例所證明的那樣。該客戶是一名工程師，希望通過在高側(cè)電流檢測電路中的 NCS210R 輸入端串聯(lián) 1 kΩ 電阻來定制電流檢測放大器的增益，其原理圖如圖 7所示。但結(jié)果并不是客戶所期望的。為簡單起見，實際調(diào)整增益為 167 V/V，而不是 NCS210 的標準 200 V/V 增益（假設理想電阻和標準增益方程計算得出）。    輸入偏置電流對精密測量很重要

    圖 7輸入偏置電流的差異將導致輸入失調(diào)電流I OS。通過添加外部電阻，方程中會添加一個額外的輸入失調(diào)電壓（用 VIN 表示），從而產(chǎn)生比單獨的輸入失調(diào)電壓更大的誤差。
    添加外部電阻后，IOS 的影響顯著，甚至超過了內(nèi)部失調(diào)電壓 V OS。如數(shù)據(jù)表中所述，NCS210R 的典型輸入失調(diào)電流為 IOS = 0.1 ?A。該電流在放大器的輸入端增加了 1 kΩ x ±0.1 ?A = ±100 ?V 誤差（典型值）。在這種情況下，典型輸入失調(diào)電流產(chǎn)生的輸入失調(diào)甚至大于產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中列出的最大輸入失調(diào)電壓 V OS = ±35 ?V。這兩個輸入失調(diào)電壓本質(zhì)上都乘以增益并作為誤差添加到輸出中。
    雖然客戶的設計人員可能預計 V OS會產(chǎn)生 ±6 mV 的輸出誤差，但他們忽略了 I OS會增加至少 ±17 mV 的額外輸出誤差這一事實。如果 I OS大于數(shù)據(jù)表中注明的典型值，則該誤差會變得更大。
    客戶問題的解決方案相當簡單。如果 NCS210R 的 200 V/V 標準增益對于他們的應用來說太高，他們將需要使用 100 V/V 版本的放大器 (NCS214R)，而不添加任何外部電阻。這種缺失將消除iOS中的任何錯誤。然后，他們必須相應地增加檢測電阻器值，以在輸出端保持相同的電壓，這也會減少由于輸入失調(diào)電壓而導致的總體誤差。這里的權(quán)衡是，當檢測電阻器的值增加時，檢測電阻器上會損失更多的功率。
    在這種架構(gòu)中使用電流檢測放大器時要記住的關(guān)鍵點是：只要電流檢測放大器中沒有添加外部電阻，固有的 I IB和 I OS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感測應用，而集成電流感測放大器中不容易提供該增益值，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，精密運算放大器可以實現(xiàn)為具有外部增益網(wǎng)絡的差分放大器。這種方法的挑戰(zhàn)是在增益網(wǎng)絡中的電阻器之間實現(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。然而，該解決方案可以潛在地減少具有非常特定增益要求的應用中輸入偏置電流產(chǎn)生的誤差。
    值得注意的是，精密放大器可以有自己獨特的輸入偏置電流行為。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。因此，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。IB _數(shù)據(jù)表上列出的是平均直流值，但存在電流尖峰。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，以最大限度地減少電壓尖峰。這種固有行為限制了零漂移放大器用作跨阻放大器。然而，零漂移放大器仍然是電流傳感應用的可靠選擇。
    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)。即便如此，在某些情況下它確實會對性能產(chǎn)生重大影響，并且理解它對于成功的設計至關(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)電壓因子，電路設計人員可以了解如何確保精密應用的最佳精度。