Input bias current что это
Операционные усилители в источниках питания – типы и математика работы
Операционные усилители являются важным элементом схемотехники источников питания, прежде всего – в части построения систем обратной связи и регулировки выходного напряжения, тока, мощности, схемы обратной связи по току. Из большого числа типов операционных усилителей в силовой электронике применяются следующие классы ОУ:
— ОУ общего применения (индустриальные LM324, LM358);
— ОУ с однополярным питанием;
— ОУ с широким диапазоном выходного напряжения – усилители так называемого класса rail-to-rail (R2R).
Другие классы ОУ при построении источников питания используются существенно реже. Условное обозначение операционного усилителя представлено на рисунке OPAMP.1.
Операционный усилитель – это математический прибор, обеспечивающий выполнение математических операций с аналоговыми сигналами. Отдельный операционный усилитель содержит:
При отсутствии обратной связи напряжение на выходе Vout в математически идеальном ОУ связано с напряжением на входе следующим образом:
Vout – напряжение на выходе ОУ;
V+ – напряжение на неинвертирующем (+) входе;
V− – напряжение на инвертирующем (-) входе;
В реальном ОУ максимальное выходное напряжение ограничивается величиной напряжения питания. Режим без обратной связи практически не используется (т.к. он в принципе не нужен), а используются схемы с обратной связью, основными из которых являются:
— схема неинвертирующего усилителя;
— схема инвертирующего усилителя;
— схема дифференциального усилителя.
Основные параметры операционного усилителя
1. Напряжение питания (Supply Voltage) V – напряжение питания операционного усилителя. Обычно указывают минимальный уровень напряжения, при котором еще возможна работа ОУ и максимальное значение между «+» и «-» входами питания выше которого усилитель выходит из строя.
2. Максимальное дифференциальное входное напряжение (Differential Input Voltage) – максимальное напряжение между инвертирующим и неинвертирующим входами ОУ.
3. Максимальное входное напряжение (Input Voltage) – максимальное напряжение на любом из входов ОУ.
4. Максимальная рассеваемая мощность (Power Dissipation) – максимальная мощность рассеваемая корпусом ОУ.
5. Входной ток ОУ (Input Current) – величина тока входов операционного усилителя. В ОУ с входными каскадами на биполярных транзисторах выходной ток может зависеть от полярности напряжения: при положительных входных напряжениях он будет незначительным (единицы-десятки мкА), а при отрицательных напряжениях относительно «–» напряжения питания – составлять десятки мА.
6. Напряжение смещения (Input Offset Voltage) – максимальная разность напряжений между «+» и «-» входами ОУ в линейном режиме работы в составе одной из схем с положительной обратной связью. Этот параметр характеризует точность (прецезионность) ОУ.
7. Входной ток смещения, эквивалентный входной ток (Input Bias Current) – входной ток в линейном режиме работы.
8. Разность входных токов (Input Offset Current) – разность между входными токами ОУ.
9. Диапазон входных напряжений (Input Common-Mode Voltage Range) – показывает минимальное и максимальное напряжения на входах ОУ при условии работы в линейном режиме.
10. Потребляемый ток (Supply Current) – ток питания ОУ. Как правило, указывается ток собственного потребления ОУ без нагрузки.
11. Статический коэффициент усиления при большом сигнале (Large Signal Voltage Gain) – показывает отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему это изменение изменению разности потенциалов между входами ОУ.
12. Коэффициент ослабления синфазного сигнала (common-mode rejection ratio).
13. Коэффициент подавления пульсаций напряжения питания (power supply rejection ratio).
14. Коэффициент связи между ОУ – для нескольких ОУ и одном корпусе (Amplifier-to-Amplifier Coupling).
15. Выходной ток цепи источника питания/цепь стока (Output Current Source/Sink).
Основные схемы включения операционных усилителей
Схема неинвертирующего усилителя
Схема инвертирующего усилителя
На рисунке OPAMP.3 изображена электрическая схема инвертирующего усилителя на ОУ. Здесь отрицательная обратная связь обеспечивается за счет резистора R2 соединенного с выходом микросхемы ОУ.
Недостатками схемы является низкое входное сопротивление, полностью определяемое сопротивлением R1 и инверсия входного сигнала.
Схема дифференциального усилителя
Схема дифференциального усилителя на ОУ (рисунок OPAMP.4) усиливает разность между входными напряжениями. Входное сопротивление схем определяется резистором R1 для входа 1 и суммой сопротивлений R1’ и R2’ для входа 2. Видно, что в общем случае в данной схеме перестановка входных сигналов местами изменяет результат – выходное напряжение. И лишь при равенстве сопротивлений резисторов:
Выходное напряжение равно:
Схема прецизионного двухполупериодного выпрямителя
Схема прецизионного двухполупериодного выпрямителя представлена на рисунке OPAMP.5. Величина RL – внутреннего нагрузочного сопротивления, выбирается в разумных пределах исходя из требования, что рабочий ток через него не будет превышать максимальный выходной ток ОУ (как правило, 10-50% от максимального выходного тока). Диоды VD1 и VD2 выбираются одного типа и с максимально близкими вольт-амперными характеристиками.
Виртуальный ноль для питания операционных усилителей
В ряде случаев, когда необходимо обеспечить биполярное питание операционного усилителя при наличии только одного источника питания (с двумя выводами – положительным и отрицательным). Наиболее простым решением по созданию виртуального нуля (искусственной средней точки) является использование резисторного делителя (рисунок OPAMP.6) с буферными конденсаторами для сглаживания импульсных нагрузок. Схемы с операционным усилителем обеспечивают четкую фиксацию напряжения средней точки даже при значительном «перекосе фаз» т.е. большой разности токов потребляемых от «плюсового» и от «минусового» выводов. При значительных потребляемых токах можно использовать схему с дополнительным токовым буфером, выполненным на двух комплементарных транзисторах. В схеме можно использовать недорогие и доступные ОУ общего применения, такие как LM324, LM358. Другим преимуществом схемы является меньшее потребление энергии, что важно при питании от гальванических батарей.
Рисунок OPAMP.6. Схемы формирования виртуального нуля (искусственная средняя точка) для питания операционных усилителей
Ток смещения ОУ.
Почему возникает такой вопрос?
Потому что через входы идеального ОУ ток не течет и ему такой резистор не нужен, встретить его можно лишь в реальной схеме. На самом деле странный резистор и назначение его не сразу понятно.
В интернете пишут, что он нужен для борьбы с ошибками, обусловленными током смешения. И тут возникает другой вопрос, что это за ток?
Для ответа на этот вопрос надо рассмотреть внутреннюю структуру входов ОУ.
Из картинки понятно, что базы транзисторов подключаются к источникам тока, таким образом создается смещение необходимое для их работы. Из-за несовершенства технологического процесса источники тока выдают ток который на несколько процентов отличается от необходимого. Вот эти оставшиеся несколько процентов, необходимые для нормальной работы входного каскада и называют током смещения. Что интересно, он может иметь любое направление, на одном входе течь в одну сторону, а на другом в другую.
Думаю, теперь понятно, что резисторы Rb, изображенные на первом рисунке, позволяют учитывать токи смещения потому, что протекая через резистор, они создают на нем падение напряжения. В отсутствии этих резисторов токи смещения просто не учитываются и это приводит к ошибке.
Так как токи, текущие через прямой и инвертирующий вывод отличаются, в даташите указывается средняя величина тока,протекающего через вывод Input Bias Current. Рассчитывается она как полусумму входных токов. Кроме тока смещения также указывается ток сдвига Input Offset Current, который показывает допустимую разность тока между входами.
Input bias current что это
One of the golden rules of op amp analysis says this: no current flows into either input terminal. This concept is key for analyzing an amplifier’s signal gain. However, in reality, a small current flows into both inputs to bias the input transistors. Unfortunately, this bias current gets converted into a voltage by the circuit’s local resistors and amplified right along with the signal. The result is an output error in your circuit. What can you do about it? A clever choice of resistor values can help you cancel most of the output error. The remaining error can be adjusted to zero if necessary.
INPUT BIAS CURRENT
AMPLIFIER WITH BIAS CURRENT
Is the circuit shown above an inverting or non-inverting amplifier? The answer is yes, both! With the input signal source set to 0 V ( shorted ), the inverting and non-inverting amplifiers look the same. What kind of undesirable voltage does the bias current create in your circuit?
Effect of Ib + on Vo
This is easy to understand. Ib + flowing into R3 produces a voltage at the + input. Treating it like any other voltage at this terminal, the op amp amplifies it according to the non-inverting gain equation.
Effect of Ib- on Vo
Just like the transimpedance (current-to-voltage) amplifier, the output voltage is simply the input current times the feedback resistor.
What are the equations above telling us about resistor choice? For a given op amp, the smaller the resistor values, the smaller the errors. However, certain design goals, like low power, may force high resistor values. As usual, the end result is a compromise between competing design parameters.
Try scaling the resistors up and down to values like 100k or 1k. Run a new simulation. Do the errors scale along with the resistors? Also, notice that the errors for Ib+ and Ib- are opposite polarity! Maybe we can use this fact to make the errors from both currents cancel each other.
INPUT BIAS CANCELLATION
Currents Ib + and Ib- create errors of opposite polarity. The question now is this: can we choose a magical value of R3 to force the errors caused by both bias currents to cancel each other? First, let’s describe our goal mathematically. We would like the errors from both sources to be equal and opposite to one another. To do so, just take the two error equations above and set them equal to each other. Also, assume that the bias currents are equal Ib + = Ib- = Ib.
Next, solve for R3 in terms of R1 and R2.
The solution is clear, choose R3 equal to the parallel combo of R1 and R2, and the bias current errors will cancel!
HANDS-ON DESIGN Set both IBPOS and IBNEG equal to 100nA. With R1=10k and R2=10k set R3 equal to R1 || R2 = 5k. Run a simulation of OP_IBIAS.CIR. Did your new choice of R3 reduce the output error at V(4) to 0V?
INPUT OFFSET CURRENT
Not to burst your bubble, but a clever choice of R3 doesn’t mean all of the error is gone. In reality, the input currents are not exactly matched. They could differ by 10% or more. To see the effect of this offset, set IBPOS = 100nA and IBNEG = 90 nA. Run a simulation. How much residual error has popped up at V(4) due to the input offset current?
INPUT OFFSET CURRENT ADJUSTMENT
The output error due to the offset current may be too big for your application. So how do you get rid of it? You can plum in another voltage to cancel out the remaining error. Using a potentiometer VPOT and a resistor connected to the op amp’s negative input does the trick. Check out this circuit from Op Amp Input Offset Voltage.
BIAS CURRENT DRIFT
Bias currents will drift as temperature changes. You have no control over this. But, knowing your overall error budget, you can select an op amp with a low enough bias current for the intended temperature range.
INPUT OFFSET VOLTAGE
Input bias current is not the only undesirable characteristic of the op amp’s input. A number of unbalances in the op amp’s internal transistors and resistors create an input offset voltage. You can predict the error at you circuit’s output and adjust it to 0V if needed. (See Op Aamp Input Offset Voltage )
Download the file or copy this netlist into a text file with the *.cir extention.
Входной импеданс против входного тока смещения. Входной ток смещения КМОП- и JFET-усилителей
На сайте нашего партнера компании Компэл опубликованы главы руководства Брюса Трампа, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ). Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях. Представляем вашему вниманию очередные главы из него.
Входной импеданс против входного тока смещения
Когда я помогаю выбирать операционные и инструментальные усилители, то часто слышу фразу: «Мне требуется по-настоящему высокий входной импеданс».
На самом деле входное сопротивление редко доставляет настоящие проблемы. (Входная емкость, реактивная часть входного импеданса – другое дело). Вместо этого чаще всего требуется малый входной ток смещения (input bias current, IB). Да, эти параметры связаны между собой, но есть важные отличия. Давайте с ними разберемся.
Самая простая модель входа может быть представлена в виде схемы с параллельным включением источника тока (входной ток смещения) и входного резистора (рисунок 15). Наличие резистора приводит к тому, что ток меняется при изменении напряжения. Входной ток смещения – это входной ток, измеренный при конкретном входном напряжении, обычно – при напряжении средней точки.
Рис. 15. Простейшая модель входа ОУ
Входное сопротивление является мерой изменения входного тока при изменении входного напряжения. Ток входного смещения может быть на уровне одного ампера, а входное сопротивление – по-прежнему иметь чрезвычайно высокое значение.
Компания Texas Instruments часто приводит типовой график зависимости входного тока смещения от синфазного напряжения. Несколько примеров показано на рисунке 16: как видим, данная зависимость – это не совсем прямая линия. Обратите внимание, что OPA211 – операционный усилитель с биполярными входами (bipolar junction transistor, BJT) со встроенной схемой компенсации входного тока смещения. Схема компенсации значительно уменьшает ток смещения, который, тем не менее, все еще остается довольно значительным. Входной ток смещения OPA211 и высокий уровень шума делают его непригодным для работы с источниками сигнала с собственным сопротивлением более 10 кОм. Однако входное сопротивление этого ОУ 1,3 ГОм редко становится источником проблем.
Рис. 16. Зависимость входного тока смещения от синфазного напряжения
ОУ OPA320 – КМОП-усилитель, имеющий сверхмалый входной ток смещения, который, в первую очередь, определяется токами утечки встроенной схемы защиты от электростатического разряда (ESD). Эти токи утечки достигают максимума вблизи граничных значений диапазона входных напряжений. Когда требуется обеспечить очень малый входной ток смещения, лучше всего выбирать КМОП ОУ и ОУ на базе полевых транзисторов с управляющим pn-переходом (JFET op amp). Конечно, для них входное сопротивление также велико, но, как правило, это не является самым важным фактором при выборе усилителя.
Существует несколько причин, по которым большой входной ток смещения играет отрицательную роль в точных аналоговых схемах. Протекая через сопротивление источника сигнала или через сопротивление цепи обратной связи, он формирует входное напряжение смещения IB·RS. При протекании этого тока через некоторые типы датчиков и химические элементы, такие, например, как pH-зонды, он может поляризовать электроды, приводить к появлению погрешностей и даже неустранимых повреждений. В схеме интеграторов входной ток смещения будет заряжать конденсатор интегрирующей цепочки, что вызовет нарастание выходного напряжения при нулевом входном сигнале.
В зависимости от степени чувствительности схемы ко входному току смещения, величина этого тока может стать решающим фактором при выборе усилителя. Следует обязательно ознакомиться с типовыми графиками зависимости входного тока смещения от входного напряжения ОУ, особое внимание уделяя целевому диапазону напряжений. Влияние нагрева на поведение ОУ с КМОП и JFET-входами может быть очень значительным, так как ток смещения для них обычно резко возрастает с повышением температуры.
Входной ток смещения КМОП- и JFET-усилителей
ОУ с КМОП- и JFET-входами часто выбирают из-за их малого входного тока. Однако кроме строки в таблице параметров существуют дополнительные тонкости, о которых следует знать.
Затвор КМОП-транзистора (рабочий вход операционного усилителя) имеет чрезвычайно малый входной ток. Однако эти чувствительные входы должны быть защищены от электростатического разряда (ESD) и электрических перенапряжений (EOS) с помощью дополнительных схем, которые являются основным источником входного тока смещения. Эти схемы используют встроенные ограничительные диоды, подключенные к напряжению питания. В качестве примера на рисунке 17a представлена схема входного каскада OPA320. Диоды имеют небольшой ток утечки – порядка нескольких пикоампер. При входном напряжении вблизи средней точки их токи утечки довольно хорошо согласованы, а разница между ними не превышает 1 пА, что и определяет величину входного тока смещения усилителя.
Соотношение между токами утечки диодов меняется, когда входное напряжение приближается к значениям питающих напряжений. Например, вблизи нижней границы обратное напряжение для D2 стремится к нулю и его ток утечки уменьшается. При этом ток утечки от D1 будет вносить основной вклад, определяя более высокий входной ток смещения, вытекающий из ОУ. Аналогичная ситуация происходит, когда входное напряжение приближается к верхней границе диапазона напряжений. Ток входного смещения, указанный в документации, измерен для средней точки питания, для которой, как было показано выше, токи утечек диодов практически равны и достаточно малы.
В результате ток смещения изменяется при изменении входного напряжения, как показано на рисунке 17б. Для любого конкретного ОУ существует входное напряжение, при котором входной ток смещения равен нулю (при условии отсутствия значительных токов утечки по корпусу или по печатной плате).
Рис. 17. Защита ОУ от ESD и перенапряжений (EOS) с помощью диодов, (a); зависимость тока смещения от входного напряжения (б)
На самом деле rail-to-rail-усилитель может самостоятельно дополнительно сместить свой вход (рисунок 18): выход будет дрейфовать до напряжения, соответствующего нулевому значению входного тока смещения. Это – интересный эксперимент, но не особенно полезная схема.
Рис. 18. Rail-to-rail-усилитель с КМОП-входом сам дополнительно смещает свой вход (схема не рекомендуется к использованию!)
Для ОУ на базе полевых транзисторов с управляющим pn-переходом (JFET-входами), например, для OPA140, все обстоит несколько иначе (рисунок 19). В данном случае вход транзистора представляет собой p-n-переход, и его ток утечки вносит основной вклад в значение входного тока смещения. Чисто физически этот переход больше, чем у включенных параллельно ограничительных диодов, а значит – выше оказывается и его ток утечки. Таким образом, для ОУ данного типа ток входного смещения чаще всего однонаправлен. Его величина может меняться и быть различной для разных усилителей. Какой вывод можно из этого сделать? Будьте очень внимательны, если для вашей схемы важен сверхмалый входной ток смещения. Уделите пристальное внимание предоставленным типовым графикам, чтобы собрать всю доступную информацию. Если схема работает со входными напряжениями, близкими к уровням напряжений питания, это может привести к более высоким значениям входного тока смещения. По этой же причине стоит помнить еще про одну важную особенность – входной ток смещения значительно увеличивается с ростом температуры.
Рис. 19. Входной ток для ОУ с JFET-входами, как правило, однонаправлен
В этой статье рассматривались универсальные КМОП- и JFET-усилители общего назначения, но существуют специальные усилители со сверхмалыми значениями входного тока смещения. Они используют особую схему защиты с уникальной структурой соединений для достижения входных токов в диапазоне 3 фА, что на три порядка ниже, чем у устройств общего назначения.
Bias Input
The DC input bias current defines the DC current through the body of the user if no other connection is present.
Related terms:
Understanding Op Amp Parameters
13.23 Input Bias Current Parameter, IIB
The input bias current parameter, IIB, is defined as the average of the currents into the two input terminals with the output at a specified level. It is expressed in units of amperes.
The input circuitry of all op amps requires a certain amount of bias current for proper operation. The input bias current, IIB, is computed as the average of the two inputs:
CMOS and JFET inputs offer much lower input current than standard bipolar inputs. Figure 13.4 shows a typical test circuit for measuring input bias currents.
Input bias current is of concern when the source impedance is high. If the op amp has high input bias current, it loads the source and a lower than expected voltage is seen. If the source impedance is high, the best solution is to use an op amp with either CMOS or JFET input. The source impedance can also be lowered by using a buffer stage to drive the op amp that has high input bias current.
In the case of bipolar inputs, offset current can be nullified by matching the impedance seen at the inputs. In the case of CMOS or JFET inputs, the offset current is usually not an issue and matching the impedance is not necessary.
Analog Integrated Circuits
Bias Current Levels
Input bias currents of bipolar devices range from a few microamps down to a few nanoamps, with most industry-standard devices offering better than 0.5 μA. There is a well-established trade-off between bias current and speed; high speeds require higher first-stage collector currents to charge the internal node capacitance faster, which in turn requires higher bias currents. Precision bipolar op-amps achieve less than 20 nA while some devices using current nulling techniques can boast picoamp levels. Junction field-effect transistor (JFET) and CMOS devices routinely achieve input currents of a few picoamps or tens of picoamps at 25°C, but because this is almost entirely reverse-bias junction leakage it increases exponentially with temperature (see Section 4.1.3 ). Industry-standard JFET op-amps are therefore no better than bipolar ones at high temperatures, though precision JFET and CMOS still show nanoamp levels at the 125°C extreme. Note that even the 25°C figure for JFETs can be misleading, because it is quoted at 25°C junction temperature: many JFET op-amps take a fairly high supply current and warm up significantly in operation, so that the junction temperature is actually several degrees or tens of degrees higher than ambient.
The significance of input bias and offset currents is twofold: they determine the steady-state input impedance of the amplifier, and they result in added voltage offsets. Input impedance is rarely quoted as a parameter on op-amp data sheets since bias currents are a better measure of actual effects. It is irrelevant for the closed-loop inverting configuration, since the actual impedance seen at the op-amp input terminals is reduced to near zero by feedback. The input impedance of the noninverting configuration is determined by the change in input voltage divided by the change in bias current due to it.
Single resistor sets the gain of the best instrumentation amplifier
Low input bias current and noise voltage
The LT1167 combines the pA input bias current of FET input amplifiers with the low input noise voltage characteristic of bipolar amplifiers. Using superbeta input transistors, the LT1167’s input bias current is only 350 pA maximum at room temperature. The LT1167’s low input bias current, unlike that of JFET input op amps, does not double for every 10°C. The bias current is guaranteed to be less then 800 pA at 85°C. The low noise voltage of 7.5 nV√Hz at 1kHz is achieved by idling a large portion of the 0.9mA supply current in the input stage.
Operational Amplifiers
2.3.2.2 Input Bias Current
Another DC parameter of op amps is input bias current (IB). If an op amp uses bipolar transistors in its input stage, a base current must be supplied from somewhere to bias them into their active operating region. Since Kirchhoff’s law tells us that current must flow in circles, this current also must return to its origin through a DC path. Therefore, operational amplifiers cannot be used with input signal sources that are not referred to the same power source as the amplifier itself. Although FETs do not require a base current, they nevertheless have a leakage current from their gate junction diode, which results in an input bias current. In many applications, the errors due to bias currents actually are less than the errors caused by the mismatch of the bias currents on the two inputs. This difference between the bias currents, called the input offset current, usually is specified along with the bias current.
Like the input offset voltage, bias currents also vary with temperature. In an amplifier with a bipolar input stage, the bias current decreases with increasing temperature because the transistors’ β increases, and since their emitter current remains constant, the base current decreases. In FET input amplifiers, the bias current is the gate leakage current of an FET, which is the leakage current of a reverse-biased junction diode. Such leakage currents double for every 10 °C rise in junction temperature.
An ideal op amp has no current going into its input terminals; real op amps approach this by reducing bias currents to femtoamp levels. As a category, one can consider low bias current op amps as those-with less than 1 nA bias currents.
Nonideal Op Amp Characteristics
REVIEW QUESTIONS
The value of the difference between the two input bias currents of an op amp is provided by the manufacturer in the data sheet and is called ____.
Drift is a nonideal characteristic that primarily affects (AC-coupled/DC-coupled) op amp circuits.
What type of op amp would you select if a very high value of input impedance was required?
Noise generation in op amp circuits can be reduced by selecting very large values of resistance. (True or False)
If the intersection of the closed-loop gain curve and the open-loop gain curve for an op amp amplifier occurs with a net slope of 60 dB per decade, will the amplifier be stable? Explain your answer.
Circuit collection, volume V
Single-supply pressure monitor
The LT1167’s low supply current, low supply voltage operation and low input bias current (350pA max) allow it to fit nicely into battery powered applications. Low overall power dissipation necessitates using higher impedance bridges. Figure 38.105 shows the LT1167 connected to a 3kΩ bridge’s differential output. The picoampere input bias currents will still keep the error caused by offset current to a negligible level. The LT1112 level shifts the LT1167’s reference pin and the ADC’s analog ground pins above ground. This is necessary in single-supply applications because the output cannot swing to ground. The LT1167’s and LT1112’s combined power dissipation is still less than the bridge’s. This circuit’s total supply current is just 3mA.
Sensor Signal Conditioning
Input Offset Voltage and Input Bias Current Models
Load transient response testing for voltage regulators
FET based circuit
