集成运放技术参数——输入失调电流I\(_{ID}\)

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如果运算放大器输入级电路参数是完全对称的,则差分对管的偏置电流应当相等,即I\(_{IB+}\)=IIB-(见图)。但实际上输入差分对管的特性是不可能完全一致的,因此它们的输入偏置电流也必然会有差异,即I\(_{IB}\)+≠IIB-。输入失调电流I\(_{I}\)0就是衡量集成运放两偏置电流不对称程度的一个指标,一般被定义为:在标称电源电压及室温25℃下,输入信号为零时运算放大器两输入端偏置电流的差值,即II0=|I\(_{IB}\)+-IIB-|。

图1
图1 🔍原图 (390×264)

输入失调电流I\(_{I}\)0的大小取决于集成运放输入级对管的不对称程度,这主要与制造半导体器件的工艺水平有关。由于集成运放的输入偏置电流IIB较小时其失调电流也小(一般情况下有I\(_{I}\)0≈0.1~0.25IIB),因此在制造集成运放时,除去从制造工艺上设法提高其输入级的对称性外,还采用了减小集成运放输入级工作点电流,即减小I\(_{IB}\)的办法来减小II0的数值。

目前国产集成运算放大器中,通用Ⅰ型低增益运放F001、F002各档器件的I\(_{I}\)0小于5~0.5μA,通用Ⅱ型中增益运放F003、F005各档的II0小于400~100nA,通用Ⅱ型高增益运放F006、F007各档的I\(_{I}\)0小于200~20nA,低功耗运算放大器F010的II0小于300~50nA,低漂移运算放大器4E325的I\(_{I}\)0典型值约为20nA左右,而高输入阻抗运算放大器XFC6的II0可低达100~50pA。

输入失调电流I\(_{I}\)0既然是衡量集成运放输入级不对称程度的一个指标,当然是越小越好。较大的II0对应用电路有什么影响呢?前一篇文章分析输入偏置电流I\(_{IB}\)时已经指出,为了消除IIB流过运放输入端电阻时所形成的附加失调误差的影响,应取运放两输入端对地的等效电阻值相等,即如图所示应有R\(_{B}\)=RI||R\(_{F}\)。但是,由于实际上IIB+与I\(_{IB}\)-不可能完全相等,故即使RB=R\(_{I}\)||RF,不等的I\(_{IB}\)仍然会在集成运放输入端形成一个失调误差电压V′I0=R\(_{B}\)(IIB--I\(_{IB+}\))=RBI\(_{I}\)0,从而使集成运放在输入信号为零时仍然有一定的输出失调误差电压。因此,在设计集成运放应用电路时应注意以下几点:

(1)由于任何实际集成运算放大器都存在一定的输入失调电流I\(_{I}\)0,故设计与调试放大电路时使集成运放两输入端对地的等效电阻严格相等已没有什么实际意义。因此设计电路时,只要选取RB、R\(_{I}\)与RF的标称值使R\(_{B}\)近似等于RI||R\(_{F}\)即可。不必采用高精度电阻,也没有必要对所用电阻仔细加以选配。

(2)为减小因输入失调电流I\(_{I}\)0不为零所造成的附加失调误差,根据V′I0=R\(_{B}\)·II0,设计电路时应选取尽可能小的R\(_{B}\)值和RI、R\(_{F}\)值。但因反馈电阻RF对运算放大器具有一定的负载效应(即除去如图所示的负载电阻R\(_{L}\)外,RF支路也相当于运放的一个负载支路,需要由集成运放提供相应的输出电流),故其阻值的选取还应受运放的负载能力,即“额定输出电流”指标的限制,不能取值过小。在反相输入时,因放大器的输入阻抗由输入电阻R\(_{I}\)确定,故此时RI的取值应根据对放大器输入阻抗的要求而定,也不能选取过小。因此对R\(_{B}\)和RI、R\(_{F}\)阻值的选择应从上述几方面综合考虑,在允许的情况下以阻值尽可能小些为好。

(3)为减小I\(_{I}\)0所引起的集成运放的输出失调,尤其对于必须采用数值较大的RI、R\(_{F}\)与RB的应用电路,根据V′\(_{I}\)0=RB·I\(_{I}\)0选用低II0的器件是有好处的。但由于造成输出失调及其漂移的因素较多,除去I\(_{I}\)0外,还有以后就要讲到的“输入失调电压”及其温漂等因素的影响,故应全面考虑,而不应单纯追求低输入失调电流指标II0。因此在对精度要求较高的应用场合,宜采用失调电压V\(_{I}\)0指标相近而失调电流II0较小的器件。

(4)因器件的输入失调电流I\(_{I}\)0不为零以及运算放大器两输入端对地电阻值不严格相等所带来的较小的附加失调误差,必要时可采用调零的办法加以补偿,使放大器在输入为零时其输出电压V0也为零。(张国华)