快速了解运放的输入偏置电流Ib和输入失调电流Ib_os参数

在运放的参数列表中都会有一个Ib( Input basic current=输入偏置电电流) 和Ib_os ( input basic offset current =输入失调电流)的参数。这两个参数在实际设计电路时会产生什么影响？如何在实际应用中将影响调试到最小是工程师（或使用者）最关心的问题。在本篇文章中重点介绍了运放的这两个参数定义及其影响以及需要注意的要点。认真阅读本文，快速带你了解输入偏置电流参数。

一、输入偏置电流及输入失调电流定义

输入偏置电流Ib是从运放的输入管脚上流入的电流，这个电流可以等效为运放的每个输入管脚连接的电流源模型 ，如下图所示的Ib+与Ib-。理想情况下Ib+与Ib-应该是完全相等的，那么此时它们带来的影响可以相互抵消，但是实际中两个参数很难完全相等，那么 这两个管脚输入偏置电流的差异就被定义为了输入失调电流Ib_os(input basic offset current) ，如果Ib_os的电流足够小，则 可以通过匹配每个输入管脚上的阻抗，以此来抵消输入失调电流带来的偏置（后面3.2节讲解）。 由于输入失调电流是由输入偏置电流IB引申出来的后面重点讲解输入偏置电流Ib。

输入失调电流的计算公式为：

Ib_os=IB_P-IB_N

二、不同类型运放的输入偏置电流Ib来源及范围

2.1 简单双极性晶体管运放类型

晶体管运放的输入电流是由于内部三极管存在基集电流，如下图所示。Q1与Q2的Ib电流就是外部输入管脚上的输入偏置电流IB。三极管运放的典型输入电流都是大于MOSFET和JFET类型的运放。

请看LM741C数据手册上的典型参数，它的输入偏置电流最大值是500nA，输入偏置电流的最大值是200nA。其典型值都是nA级别的。

2.2 带IB抵消技术的双极性晶体管运放类型

一些高精度的三极管型运放内部采用了一种被称为基集电流抵消的技术，以此来最小化输入偏置电流。由于这是内部集成电路，所以无需外围器件。基集电流抵消技术是通过检测输入偏置电流并求和后，通过内部相等的相反电流去抵消输入偏置电流（输入偏置电流是镜像而且求和后反馈到输入，以此来抵消输入偏置电流），如下图所示。这个电路可以有效的降低输入电流Ib。这样就有效的将输入偏置电流从几百nA降低到几个nA，同时具有像三极管运放一样的特性。

需要注意的是，当存在 这个电路后Ib是可以双向流动（可以是输入也可以是输出） ，并不是向前面那样只能从输入管脚向运放内部流动。所以这样Ib与Ib_os几乎是一样的。

以OPA277数据手册的参数为例，它的输入偏置电流的最大值是±1nA。相较于前一个的LM741C的数据手册，因为它的基集电流就是输入到内部三极管的Ib电流，所以它只有一个方向，而这个则是双向的。

由于基集电流抵消技术不能知道其输入管脚上的输入电流的正负极性，所以它是不完美的。

2.3 CMOS类型运放

CMOS类型运放的基集电流主要是由于输入管脚上ESD保护二极管的漏电流造成的。如下图所示。需要注意的是每个输入都有两个二极管，两个管子都是存在漏电流的，所以它是双向的。

尽管内部的Q1和Q2的G极也存在漏电流，但是这个漏电流是及其小的，远低于ESD保护二极管的漏电流，所以G极的漏电流对于基集电流没有什么影响。请参考OPA369的数据手册上的IB的最大值是50pA。

2.4 不同芯片类型的技术造成的基集电流的差异及范围

以下全部是TI的的数据手册内容，它们的基集电流从fA的CMOS技术运放到几百nA的高速晶体管运放。

需要注意的是晶体管运放总是大于CMOS型运放，而且具有内部基极抵消电路的晶体管运放比没有此电路的晶体管运放的基极电流要低。

2.5 CMOS型运放与带IB抵消技术的双极性晶体管运放温度特性对比

由于CMOS运放内部是二极管，而二极管的温漂非常严重，所以从25°C开始没有上升10°C内部的基集电流就会涨一倍，请注意这个貌似看上去线性增加的，但是实际上是以对数形式在增加。它受温度影响比较严重。

而内部带基集电流抵消电路的运放就相对较稳定了，它直到75°C以上才开始增大。需要注意的是它的纵坐标是线性的。

但是不论怎么样最终CMOS的电流还是远低于内部带有抵消基集电流电路的运放 。

三、输出偏置电流IB对输出电压的影响计算

输入偏置电流对于输出电压的影响与输入偏置电压的影响几乎一样，计算方法也几乎相同。

首先我们将输入偏置电流等效为运放每个输入管脚上的电流源模型。请注意当同相输入管脚上没有阻抗时，此时的输入失调电流不会引入任何的误差。反之当同相输入管脚存在阻抗时，则会产生误差电压。后面会分类讨论。

3.1 运放同相输入阻抗为0的误差分析

分析的原理图及步骤如下：

基于节点分析法，我们可知输出电压Vout是由两部分正常，其一是由输入偏置电流IB引起的输出电压等于IB*RF=19.8mV（约等于20mV），其二是正常因为输入电压Vin造成的Vout=（1+RF/R1）*Vin。所以输出的误差电压完全是由于反向输入偏置电流IB流经RF电阻产生的。同时这里也说明了当Vin+的输入阻抗为0ohm时，此时的误差与输入失调电流IB_os无关。输入失调电流不会引入误差。

分别计算两部分的电压为，由于IB*RF造成的Vout=19.8mV，而输入电压引起的Vout=100mV，所以最终的Vout=119.8mV。由于IB造成的误差是19.8%。我们可以类推其他运放电路的计算公式，只需要将工作温度下或者极限输入偏置电流输入带入就可以知道在不同输入电压下的误差了。仅从本例来讲当前电路对于小信号放大影响很大。

3.2 运放同相输入阻抗为R2的误差分析

分析的原理图及步骤如下：

将Vin_P带入Vo后可得下式：

从上面可知因为输入电流产生的误差为：

有上面可知增加R2减小了因输入偏置电流造成的误差，3.1章节中分析的误差是19.8mV。同样令上式中误差为0，则可以求出最好的匹配电阻：

而上式中IB_os= IB_P-IB_N， 通过这里可知当IB_P与IB_N的符号相同时Vin+存在输入阻抗后因为引入了输入失调电流IB_os的误差抵消掉输入偏置电流IB引入的误差。但是当IB_P与IB_N的符号相反时会进一步增加输出的误差 。

四、结论

在实际评估和使用过程中需要注意以下几点：

1、不同型号的运放其输入偏置电流IB和输入失调电流IB_os,差异很大，需要去数据手册获取，总体上来讲这两个参数越小越好。

2、当同相输入管脚上没有阻抗时，此时的输入失调电流不会引入任何的误差。反之当同相输入管脚存在阻抗时，则会产生误差电压。

3、针对于不同的放大电路需要去推其计算公式才能评估输入偏置电流IB和输入失调电流IB_os的其影响大小。进一步才能知道因为同相输入电阻引入的误差是否会将输出调零，例如本文中就是产生了有利的匹配将输出误差降低了。

4、虽然温度对输入偏置电流IB和输入失调电流IB_os有影响，但是主体还是靠不同芯片的技术造成的差异。