运算放大器的简易测量--失调和偏置电流

一、什么是偏置电流Ib 与输入失调电流Ios ：

1.1、通常情况将放大器的同相输入端与反相输入端的输入电流的平均值作为偏置电流Ib。

1.2、输入失调电流是放大器的两个输入端的电流的偏差。导致输入失调电流的主要原因是由于放大器输入级差分对不完全匹配。同时温度也会影响放大器的输入偏置电流，采用温漂(Input Offset Current Drift)来描述这个参数，表示的是温度每升高1度输入级电流的变化量。

1.3、 运放设计电路中，大家会经常见到在放大器输入端添加一个偏置电流补偿电阻Rb,并且使得Rb=R1//R2。我们接下来分析Rb的作用以及是否真的需要它。以同相放大为例，流入反相端的电流在R1//R2上产生的压降为Vos1=Ibn*(R1//R2) ，那么由于添加了Rb电阻，所以在同相端上由于偏置电流产生的电压为Vos2=Ibp*Rb。当满足Rb=R1//R2时，对于放大器的同相端和反相端而言，由于偏置电流在电阻上产生的电压就相等。因此采用引入Rb的方法消除了Ib的影响。

1.4、 添加Rb的作用是减小由于偏置电流在R1//R2上产生的压降，从而减小引入到输入端的误差。

1.5、当我们在判断是否需要使用Rb电阻进行补偿时，应该先查阅对应芯片的datasheet中关于偏置电流与失调电流的描述：

1.5.1)如果偏置电流与失调电流数量级相当，那么引入Rb电阻将没有实质效果甚至还会由于在输入端传入了电阻会带来热噪声。

1.5.2)如果偏置电流明显大于失调电流，那么需要计算在当前电路拓扑中偏置电流产生的直流误差是否足以影响到我们关心的信号的精度。

二、测量方法：

理想运算放大器具有无限大的输入阻抗，无电流流入其输入端。但在现实中，会有少量“偏置”电流流入反相和同相输入端(分别为Ib–和Ib+)，它们会在高阻抗电路中引起显著的失调电压。根据运算放大器类型的不同，这种偏置电流可能为几fA -几nA;在某些超快速运算放大器中，甚至达到1 - 2 μA。图 3 显示如何测量这些电流。

图一 、双运放测量失调和偏置电流

序号	状态	Vos	Ios
1	S1=On	S2=On	-1.11mV	-11.1nA
2	S1=On	S2=Off	-1.05mV	-10.5nA
3	S1=Off	S2=On	-1.16mV	-11.6nA
4	S1=Off	S2=Off	-1.11mV	-11.1nA
On=打开，Off=闭合

表一、双运放测量失调和偏置电流输入失调电流数据        

图二 、单运放测量失调和偏置电流

序号	状态	Vos	Ios
1	S1=On	S2=On	1.62mV	16.2nA
2	S1=On	S2=Off	1.57mV	15.7nA
3	S1=Off	S2=On	1.68mV	16.8nA
4	S1=Off	S2=Off	1.62mV	16.2nA
On=打开，Off=闭合	1.1nA

表二、单运放测量失调和偏置电流输入失调电流数据

图三、TLV2451AID规格参数

如图一、图二所示，该测试电路与测试失调电压电路基本相同，只是DUT输入端增加了两个串联电阻R1 和R2。这些电阻可以通过开关S1 和S2短路。当两个开关均闭合时，该测试电路与失调电压电路完全相同。当S1断开时，反相输入端的偏置电流流入Rs，电压差增加到失调电压上。通过测量TP1 的电压变化(=1000 Ib–×Rs)，可以计算出Ib–。同样，当S1 闭合且S2 断开时，可以测量Ib+。如果先在S1 和S2 均闭合时测量TP1 的电压，然后在S1 和S2 均断开时再次测量TP1 的电压，则通过该电压的变化可以测算出“输入失调电流”Ios，即Ib+与Ib–之差。R1 和 R2 的阻值取决于要测量的电流大小。

如果Ib的值在 5 pA左右，则会用到大电阻，使用该电路将非常困难，可能需要使用其它技术，牵涉到Ib给低泄漏电容(用于代替Rs)充电的速率。

当S1 和S2 闭合时，Ios仍会流入 100 Ω电阻，导致Vos误差，但在计算时通常可以忽略它，除非Ios足够大，产生的误差大于实测Vos的 1%。

审核编辑：汤梓红