輸入偏置電流對精確測量的重要性

作者 : Farhana Sarder,安森美半導體應用工程師

輸入偏置電流是一個經常被忽略的放大器參數,但卻可能會對放大器電路的輸出精度產生重大影響。這種影響有時可以忽略不計,但有時卻可能導致電路完全失效。工程師們在進行精密應用(如電流檢測或感測器介面等)的設計時,應特別注意輸入偏置電流的影響,以確保可靠的設計。

輸入偏置電流是一個經常被忽略的放大器參數,但它卻可能會對放大器電路的輸出精度造成重大影響。它的影響有時可以忽略不計,但有時卻可能導致電路完全失效。工程師在進行精密應用(如電流檢測或感測器介面等)的設計時,應該特別注意輸入偏置電流的影響,以確保可靠的設計。

一般而言,工程師所想到的精密應用關鍵參數包括輸入偏移電壓、偏移漂移和共模抑制比(CMRR)。放大器輸入通常被認為具有高阻抗,那麼輸入偏置電流會產生什麼影響呢?簡言之,輸入偏置電流會在其路徑上的任何一個電阻產生寄生電壓,而放大器還會放大這一效應。

輸入偏置電流的定義

首先,我們來了解一下什麼是輸入偏置電流。一個理想的運算放大器(op amp;OP)不應該有任何電流流入其輸入端子,但現實中的OP卻做不到這一點。產品規格表中的輸入偏置電流(IIB)規範量化了這種非理想的電流。輸入偏置電流會在輸入端產生額外的偏移壓降,從而導致輸出端的偏移誤差。對於大多數應用來說,該誤差可以忽略不計,但在某些情況下有必要將其納入考量。

傳統的OP由雙極接面電晶體(BJT)製成。對於雙極OP而言,當輸入差分電晶體導通時,少量電流會在基極和發射極之間流動。換句話說,基極-發射極電流是偏置電晶體所需的電流量。該電流通常為奈安或微奈級別。對於一個PNP輸入對,電流從輸入電晶體流出,雙極OP的PNP簡化輸入級如圖1所示。對於一個軌對軌輸入雙極OP,可以使用一個額外的NPN輸入對,電流將流入NPN輸入級。

1:雙極OP的簡化輸入級展示了輸入偏置電流如何影響放大器輸出。

不過,當今大多數新型放大器都採用CMOS電晶體。使用MOSFET,閘極與傳導通道在實體上隔離,以產生真正高阻抗的輸入。這類放大器實際上不存在輸入偏置電流。但其規格表中卻仍會註明輸入偏置電流參數。在此情況下,CMOS放大器的所謂輸入偏置電流主要來自ESD結構、保護二極體和(或)寄生接面的漏電流。因此,CMOS放大器將具有比雙極放大器更低的輸入偏置電流。對於CMOS OP來說,輸入偏置電流在不同條件下可以正向或反向流動。圖2顯示了具有PMOS輸入的CMOS OP之典型簡化輸入級。

2CMOS OP的簡化輸入級顯示漏電流如何作為輸入偏置電流。

CMOS OP中的每個輸入接腳各自有其輸入偏置電流,IN +和IN-接腳可能具有不同的輸入偏置電流值。規格表中可能標明其中一個輸入接腳的IIB電流,用IIB+表示IN +,或者用IIB-表示IN-。然後,用這兩個輸入電流之間的數學差表示輸入偏移電流IOS

在規格表中,輸入偏置電流的方向不一定會標明,可能僅標出絕對值,因此電流可能是流入或流出接腳的。除非另有說明,否則均認為IIB和IOS 是絕對值。輸入偏置電流也是可能會改變的。圖3以NCS20071為例,顯示CMOS放大器的輸入偏置電流會隨著輸入共模電壓的變化而改變。

3:輸入偏置電流(IIB )和輸入補償電流(IOS )將隨OP所施加的共模電壓而變化。

輸入偏置電流的影響

這些輸入偏置電流會影響放大器的輸出。如果一個大電阻與OP輸入端串聯,則IIB會流經它並產生一個偏移電流。如圖4的原理圖所示,在IIB = 10 nA的電壓隨耦器(Voltage follower;(也稱為單位增益緩衝電路)上接入一個1MΩ的電阻,將會在電阻兩端產生額外的10mV壓降,從而導致10mV的輸出誤差。

4:輸入偏置電流在單位增益電路中產生電壓偏移

為了消除IIB產生的任何偏移電壓,電路設計人員有時會嘗試匹配OP同相和反相輸入端子上的輸入電阻,如圖5所示。但是,如果偏置電流不匹配,則產生的輸入偏移電流IOS仍然會導致額外的輸入偏移電壓。IOS產生的偏移電壓會導致輸出端的誤差,而在某些精密應用造成隱患,因為在這類應用中即使是非常小的輸入訊號都會被測量到。


5:如果兩個輸入端子具有相同的輸入偏置電流且輸入偏移電流最小時,輸入電阻匹配可以減小輸入偏置電流的影響。

對電流檢測放大器的影響

對於專用電流檢測放大器來說,尤其需要考慮輸入偏置電流的影響。許多電流檢測放大器都具有專用架構,允許輸入高於電源電壓(例如NCS210R)。儘管這一點對許多應用而言是有利的,但它需要電路汲取額外增加的輸入電流(通常在幾十微安的範圍),從而使電路對外部輸入電阻更加敏感。圖6顯示了這一點,其中,用於擴展共模範圍的「附加電路」產生了很大的輸入偏置電流。在該電路上增加較大的外部電阻意味著輸入偏置電流將在每個電阻上產生更大的電壓。

6:由於電流檢測放大器的偏置電流很大,外部電阻應不高於10Ω。

採用這種架構,輸入偏置電流僅對外部電阻有效。內部電阻R1和R3上沒有IIB電流經過。由於差動放大器的標準增益方程式假設流經外部電阻和內部電阻上的電流相同,因此增益與預期值有些不符。結果,標準方程式僅能得到所產生增益的近似值,用「大約等於」來表示:

外部電阻還抵消了內部增益電阻的精度比匹配所產生的高增益精度。這種類型的電流檢測放大器架構依靠內部電阻比來設置增益,而不是依靠電阻的絕對精度。即使所有的內部電阻都比標稱值高+10%,比例匹配也意味著增益將保持在規格表中±1%的增益誤差規格範圍。外部電阻即使精度很高,也可能導致整個比例匹配偏移。這意味著增加輸入電阻實際上會產生複合效應,由於電阻比無法匹配以及IIB而造成增益誤差。

不僅如此,IOS還會產生額外的偏移電壓誤差,安森美半導體(ON Semiconductor)的一項應用工程案例證實了這一點。在該案例中,客戶想客製電流檢測放大器的增益,因而在高側電流檢測電路中添加1kΩ電阻與NCS210R的輸入串聯,其原理圖如圖7所示。但其結果卻差強人意。實際調整後的增益為167V/V,而不是NCS210標準的200V/V增益(該標準增益值是由假設的理想電阻和標準增益方程式簡單計算而來)。

7:輸入偏置電流的差異將產生於輸入偏移電流IOS。而外部電阻產生的額外輸入偏移電壓(VIN表示)也將添加到公式中,所產生的誤差將大於原有的輸入偏移電壓。

加上外部電阻後,IOS 產生了顯著的影響,甚至超過了內部偏移電壓VOS。如規格表中所示,NCS210R的典型輸入偏移電流為IOS = 0.1 µA。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,典型的輸入偏移電流產生的輸入偏移電壓甚至大於產品規格表中所列的最大輸入偏移電壓VOS = ±35 µV。而這兩個輸入偏移電壓實際上都會乘以增益,並作為誤差加到輸出端。

儘管客戶設計人員可能想到了由於VOS產生的±6mV輸出誤差,但卻忽略了IOS也會增加至少±17mV的附加輸出誤差這一事實。如果IOS大於規格表中標出的典型值,則該誤差將會更大。

針對這一問題的解決方案非常簡單。如果NCS210R的200V/V標準增益對其應用而言太高,則需要使用100V/V版本的放大器(NCS214R),而無需添加任何外部電阻。這將消除由IOS引起的任何誤差。而且,還需要相應地增加檢測電阻的值,以便在輸出端維持相同的電壓,這樣也將減少由於輸入偏移電壓而導致的總誤差。不過這個方案也有所折衷,當檢測電阻值增加時,會有少許功率損耗。

使用這種架構的電流檢測放大器時,需要記住的關鍵點是:只要電流檢測放大器未添加任何外部電阻,固有的IIB和IOS就不會產生有害影響!

對精確運算放大器的影響

如果電流檢測應用需要一個特定的增益值,而無法由現有的整合電流檢測放大器中取得,則採用精確運算放大器(如NCS21911)可能是一個解決辦法。為了執行電流檢測功能,可以將精確OP視為具有外部增益網路的差動放大器。這種方法的困難之處在於實現增益網路中電阻之間的高匹配度,以建立所需的增益精度和CMRR。需要精確匹配的電阻成本可能很高。不過,在對於增益有特定要求的應用中,該解決方案可能減少由於輸入偏置電流產生的誤差。

值得注意的是,精確放大器具有其獨特的輸入偏置電流特性,常用的零漂移架構可對輸入進行週期性採樣,並對其進行校正。因此,由於電容和開關上的電荷注入和時脈饋通,輸入端會出現電流突波。規格表中列出的IIB是一個平均直流(DC)值,但存在電流突波。在此情況下,不建議使用非常大的外部輸入電阻。如果必須使用,可以添加一個截止頻率低於斬波頻率的簡單RC濾波器,盡可能地減小電壓突波。這種固有特性限制了零漂移放大器作為跨阻放大器的應用。不過,零漂移放大器仍然是電流檢測應用的可靠選擇。

結語

對於大多數應用,輸入偏置電流通常不被視為重要參數。儘管如此,它仍然會在某些情況下對性能產生重大影響,了解它對於成功設計至關重要。電路設計人員必須瞭解輸入偏置電流如何產生額外的輸入偏移電壓因數,才能確保精密應用的最佳精確度。

(本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2020年7月號;參考原文:Input bias current matters in precision measurements)

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