6 输入偏置电流与偏置瞬态

到目前为止，本文重点讨论了输入 MOSFET 开关中由于电荷注入和时钟馈通导致的偏置电流瞬态。除了此影响外，由于 ESD 二极管漏电流，所有 CMOS 放大器上都存在直流偏置电流。对于不同的运算放大器型号，该 ESD 漏电流会有所不同，但室温下的漏电流通常处于较低的皮安范围内。斩波放大器的额定偏置电流是来自斩波开关电荷注入的瞬态电流与 ESD 二极管漏电流的平均值。与电流瞬态的幅度相比，这些偏置电流在室温下通常可以忽略不计，但在温度较高时会变得很明显。例如，对于 OPA186，典型的偏置电流从 25°C 时的 ±5pA 增加到 125°C 时的 ±900pA（请参阅图 6-1）。偏置电流的增加主要是由于 ESD 二极管漏电流发生变化，而这种变化是因为 MOSFET 开关电荷注入在工作温度范围内保持相对恒定。

图 6-1 OPA186 的偏置电流与温度间的关系

因此，除了参考表 5-1 来选择一个不会由于偏置瞬态而产生明显失调电压的源阻抗外，还必须确保随温度升高而增加的偏置电流不会转化为明显的输入失调电压。按照方程式 3，可以根据数据表表格中在 125°C 下给定的最大值，计算出特定温度下的 I_B。该公式依据的原理是温度每升高 10°C，ESD 二极管漏电流大约增加一倍。方程式 4 使用相应温度下的偏置电流和失调电压来确定由于偏置电流而需要使用的最大电阻。示例 1 将这些公式应用于 100°C 温度下的 OPA186。根据此示例，OPA186 可在高达 100°C 温度下使用，具有 11.7kΩ 的源阻抗或反馈阻抗，对失调电压的影响极小。请注意，表 5-1 建议使用小于 500kΩ 的电阻。该建议对于室温而言是正确的，但在 100°C 温度下，需要更低的阻抗，因为偏置电流在高温下会增加。所以，对于较高温度的应用，为了确定最大源阻抗和反馈阻抗，有必要查看表 5-1 以及数据表中提供的基于温度的偏置电流规格。

其中

I_B(T) – 高于 25°C 温度时的 I_B

I_B(125C) – 125°C 时的额定最大 I_B

T – 以摄氏度 (°C) 为单位的温度

其中

R_MAX – 避免偏置电流转换为失调电压的最大建议电阻

I_B(T) – 通过‌‌‌方程式 3 计算得到的 I_B

V_osMax – 运算放大器数据表中规定的最大输入失调电压

示例 1：100°C 时的 OPA186

消除偏置电流的方法是平衡输入阻抗和反馈网络阻抗，使反相和同相偏置电流失调相等。不过，这种方法仅在两个偏置电流大致相等时才有效。偏置电流失调 (I_BOS) 规格是对偏置电流彼此接近程度的度量 (I_BOS = I_BP – I_BN)。为了有效消除偏置电流，偏置电流失调必须远小于偏置电流 (I_BOS << I_B)。如果瞬态幅度和波形在反相和同相输入之间达到良好平衡，则消除偏置电流有助于更大限度降低偏置电流瞬态的影响。遗憾的是，偏置电流瞬态幅度通常存在一些不平衡。此外，寄生电容和滤波电容也会影响偏置电流瞬态。为了避免将偏置电流瞬态转换为失调电压，建议将源电阻和反馈电阻保持在表 5-1 中指定的最小值以下，而不是依靠消除偏置电流来更大限度减小失调。如果是直流偏置电流，在高温下，由于偏置电流失调 (I_BOS) 通常明显低于偏置电流，因此平衡源阻抗和反馈阻抗很有用。