今天來說一說運放的偏置電流和失調電流，我們還是帶著問題看，先想想下面幾個問題：

1、為什么不同運放的偏置電流差這么多？原因是什么？

2、運放輸入端偏置電流方向是什么樣的呢？是可以流進，也可以流出的嗎？

3、實際應用中偏置電流是如何引起誤差的呢？

4、實際應用中失調電流是如何引起誤差的呢？

5、電路設計時應該如何考慮偏置電流和失調電流的影響呢？

要想回答上面這些問題，我們首先需要了解偏置電流和失調電流到底是怎么產生的。

偏置電流、失調電流是什么

我們前面說過，理想運放的同相端和反相端的輸入電流為0，所以才有“虛斷”的說法，但是實際運放的輸入管腳都會流入或流出少量的電流，并且經常同相端的電流和反相端的電流還不相等。

我們如果將流入同相端的電流用Ib+表示，流入反相端的電流用Ib-表示，那么放大器的輸入偏置電流Ib就是Ib+和Ib-的平均值，即Ib=(Ib+ + Ib-)/2。

可以看到，偏置電流就是同相和反相端電流的平均值，而失調電流，衡量的是2相電流之間的差異。

我們還是以前幾期的LM2904舉例子，如下圖：

圖中標注IB就是LM2904的輸入偏置電流，典型值為-20nA，Ios為輸入失調電流，典型值為2nA。失調電流是偏置電流的十分之一，說明這個放大器同相端和反相端的電流還是比較接近的。

那么偏置電流是如何產生的呢？

偏置電流的來源

顯然，偏置電流取決于流入或流出放大器同相端和反相端電流的大小，這自然和放大器輸入級的構造晶體管類型有莫大的關系。

我們知道，晶體管有好幾種，比如雙極性晶體管BJT，結型場效應晶體管（JFET）和金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）。然后它們又分什么NPN，PNP，N溝通，P溝道，這樣算起來種類還是不少的。

就輸入阻抗而言，一般是MOSFET>JFET>BJT的，我是怎么記住這個的呢？我沒有刻意去記住，而是理解的方式，腦子里面回想下這幾個管子的結構也就出來了，這里也分享一下。

大體是這樣的：

BJT三極管我們應該都比較熟，其是電流驅動的，其放大的時候，要給它合適偏置，b和e之間是有正向電壓的，是一個有正向壓降的PN結，處于放大區的時候里面是有電流流動的。

JFET分立管子用得非常少，我到目前還沒用過這個，但是教材上都有這個器件的結構，集成運放也是有這種結構的，其工作的時候，輸入端也可以理解為一個PN結，不過是反偏的（通過反偏控制耗盡區的厚度來控制導電溝道的寬度），也就是說電流很小。但是我們知道施加反向電壓的PN結也是會漏電的，就像我們用的二極管，也會有漏電流這個參數。顯然，這個電流要一般比三極管的輸入電流Ibe要小，那么其直流輸入阻抗也就比其要小。

MOSFET我們用得比較多，其柵極與襯底極是二氧化硅絕緣體，既然稱為絕緣體，那阻抗就是非常大了，基本沒有電流，因此，它的直流輸入阻抗是最高的。

大概總結下：BJT放大時輸入端是正向的PN結，電流較大；JFET放大時輸入端是反向的PN結，電流主要是漏電流，很小；CMOS放大時輸入端是絕緣的，直流電流最小。

扯得有點遠，其實說這個主要是因為我在網上看到幾款放大器芯片的偏置電流表格，它們之間差異是很大的，如下表：

可以看到，不同放大器直接的偏置電流差異很大，從pA到nA級別，成千上萬倍的差異。

翻了下上面這幾個放大器的手冊，挑了3個沒特殊處理偏置電流的放大器，看了看OPA627，OPA350，OPA211等 3個放大器的輸入級，如下圖：

OPA627-JFET-5pA：

OPA350-CMOS-10pA：

OPA211-BJT-125nA：

結合前面的表格，大致可以看出2點：

1、Bipolar結構的偏置電流Ib是最高的， nA級別；而JFET和CMOS差不多，都是pA級別的（有特殊處理的除外）。

2、JFET和CMOS的溫漂非常嚴重，溫度最高值相對于典型值有幾百倍甚至上千倍，也就是溫漂非常高（OPA129，OPA333專門處理過的除外），而BJT（Bipolar）溫漂相對較小，最高溫度時相對典型值也就2-3倍左右。

結合前面的表格，這里不禁有兩個疑問：

1、前面不說CMOS的輸入阻抗要比JFET的阻抗要高嗎？為啥偏置電流差不多呢？

2、為啥CMOS和JFET結構的偏置電流溫漂達到幾百上千倍，而BJT（Bipolar）結構的偏置電流溫漂只有2-3倍？

這兩個問題可以在TI的文檔《有關運算放大器設計主題的博客文章匯編》里面的第8節和第9節找到答案。

文檔下載鏈接是這個：

https://www.ti.com.cn/cn/lit/eb/zhct321/zhct321.pdf?ts=1676037417171

意思大致如下：

因為CMOS和JFET的輸入阻抗太高了，導致很容易受到靜電導致擊穿損壞，所以一般都會加上ESD管。

如下圖的CMOS輸入結構。因為CMOS本身柵極是絕緣的，說流入電流基本為0沒問題，即阻抗特別特別高。但是因為ESD保護加了保護二極管子D1和D2，正常情況下，它倆都是反偏的，那么就有反向漏電流，這個電流自然比CMOS本身柵極絕緣體的電流要高，因此，實際CMOS的偏置電流就由這兩個管子的差值決定。

這其實也就解釋了上面的第一個問題——為什么CMOS和JFET結構的放大器，偏置電流量級是差不多的？因為它們的偏置電流都是反偏PN結的漏電流形成的。

除此之外，我們還可以看到下面這些：

根據基爾霍夫電流定律，輸入節點電流和為0，我們忽略CMOS柵極絕緣體（gs之間）基本為0的電流，那么流進放大器的電流就是下管電流減去上管電流。

并且容易想到，如果Vin輸入電壓靠近正電源軌道+Vs，那么上管D1的反向電壓就比較小，而D2的反向電壓就比較大，如果D1和D2的工藝完全一樣，比如D1的漏電電流要小于D2的漏電流，那么自然IB就是流進放大器的，即IB為正值。

反之，如果Vin的輸入電壓靠近負電源軌-Vs，那么D1的電壓就要大于D2電壓，D1的電流也就大于D2的電流，那么IB就是流出放大器，即IB為負值。

因此我們最終看到右邊的曲線，IB在靠近-Vs時是負的，而靠近+Vs時是正的。這說明什么呢？說明了，這個放大器的偏置電流的方向，還跟輸入端的共模電壓有關系。

我們再看JFET的輸入極

前面JFET的結構我們已經知道了，N溝通的JFET處于放大的時候，輸入級電流是往外流的，當然，D1和D2依然有漏電流。

但是TI文檔《有關運算放大器設計主題的博客文章匯編》里面指出：輸入晶體管的柵極是一個二極管結，它的泄漏電流通常為輸入偏置電流的主導來源。輸入柵極結通常更大，因此泄漏電流也比保護二極管更大。因此，輸入偏置電流更多的時候是單向的。它可能會發生變化，具體取決于放大器。

所以JFET輸入級的偏置電流是單向的，是往外流的。

這里發覺得好像有一個錯誤，因為上圖中OPA140曲線中的IB都是正值，按理說往運放外部流應該是負值，上圖中左邊的英文解釋（Ib would likely flow of N-channel JFET）也說明了這個電流是往外的。

溫漂的問題

至于前面提到的為什么CMOS和JFET輸入級的偏置電流溫漂這么大，到這里應該就是顯然的問題了，因為它倆產生的原因都是PN結的反向漏電流。

這玩意跟二極管的反向漏電流的溫漂一樣：溫度每升高10℃，漏電流增加1倍，典型值一般是25℃時候的，溫度升高到125℃，那么就有10個10℃，增加的倍數就是2^10=1024，這可不就上千倍了嘛。

bipolar結構的溫漂為什么這么小呢？大概只有2~3倍左右的樣子，這個也比較容易看出來。以前面的OPA211為例子。

可以看到，輸入級底下是個恒流源，雖然它也是晶體管構成的，有溫漂，但肯定不會發生數量級的變化，那么輸入級的兩個晶體管的Ic電流也就不會飄得太多，最終輸入偏置電流IB也就不會飄得太多。

輸入失調電流 ? 說完了偏置電流，失調電流就簡單了。同失調電壓產生的原因相同，半導體工藝難以做到輸入兩個晶體管的完全匹配，導致流入輸入級晶體管的電流有差別，因此也就有了失調電流。

推薦一本正在看的書——《運算放大器參數解析與LTspice應用仿真》，還不錯，運放的各種參數講得挺明白，還有實例。

小結

本期主要說了下運放輸入偏置電流是咋形成的，沒想到寫的還挺長，因為我也是邊寫邊查邊想，發現不知道的也就再去查查看看。至于開篇提到的5個問題，這篇內容也就只能回答2個，剩下的3個留著下次吧。

小結如下：

1、不同運放的偏置電流差異很大，是因為其輸入級的構造不同，簡單說就是它是用的BJT，還是JFET，還是CMOS。其中BJT的偏置電流最大，在nA級別，JFET和CMOS差不多，在pA級別（有專門的處理的除外）。

2、BJT結構的偏置電流溫漂較小，而JFET和CMOS因為其偏置電流都是由PN結反向漏電流形成的，因此溫漂較大。

3、不同運放偏置電流的反向特性是不一樣的，有的都是向里，有的是向外，也有跟共模電壓有關系的，能里能外。

常看我文章的兄弟們應該知道，我一向是寫我是怎么想的，怎么查的，并不直接擺結論，很多觀點其實是結合我自身的知識體系，作出的一些延展，個人理解，目前來說，我自認為它們都是正確的，因為可以融入到我的知識體系。

所以呢，錯誤是難免的，如果兄弟們發現有啥問題，請留言指出來。

審核編輯：湯梓紅