Part 01

前言

提到運(yùn)算放大器的特性，大家能想到的關(guān)鍵詞基本是開環(huán)增益、失調(diào)電壓、帶寬和噪聲，很容易把輸入偏置電流給忽略掉。我想大概率是因?yàn)樵诖髮W(xué)學(xué)習(xí)模擬電路時(shí)經(jīng)常聽到“虛短”，“虛斷”導(dǎo)致的吧，因?yàn)椤疤摂唷笔且驗(yàn)槔硐脒\(yùn)放輸入阻抗無(wú)窮大，既然都無(wú)窮大了，那還考慮啥輸入偏置電流呢？如果這樣想，說明你只是看到了運(yùn)放的“表”，而沒有仔細(xì)研究過運(yùn)放的“里”。 偏置電流的定義 先贅述一下偏置電流的定義吧，規(guī)格書中的名詞“輸入偏置電流”(IB) – 是指流入或流出運(yùn)算放大器輸入引腳的直流電流，這一直流電流存在的意義是運(yùn)放在正常工作期間為運(yùn)放設(shè)置正確的直流工作點(diǎn)。 為什么需要為運(yùn)放設(shè)置直流工作點(diǎn)呢？

那么問題來(lái)了，為什么需要為運(yùn)放設(shè)置直流工作點(diǎn)呢？看下圖黃色區(qū)域，有些人一看到運(yùn)放內(nèi)部拓?fù)潆娐肪皖^大，這么一大堆三極管，看不懂怎么辦呢？不管多復(fù)雜，記住運(yùn)放就三大塊：輸入級(jí)，中間級(jí)，輸出級(jí)。

黃色區(qū)域是運(yùn)放的輸入級(jí)，輸入級(jí)就是一個(gè)差分放大電路，比如下圖的Q1，Q2就是差分輸入對(duì)管，這是兩個(gè)PNP三極管，看到三極管，看到放大，你就想想三極管要想工作在放大區(qū)，就得為三極管設(shè)置直流工作點(diǎn)，避免三極管飽和或者截止了。除了三極管，我們也能用MOS管搭建輸入級(jí)的差分放大電路，各有優(yōu)勢(shì)，如果用MOSFET，MOSFET屬于電壓控制器件，MOSFET工作時(shí)需要的直流柵極電流非常小，此時(shí)輸入偏置電流主要由來(lái)自輸入端口的ESD保護(hù)器件和連接到輸入的其他次級(jí)電路的漏電決定，漏電流的大小很小，一般是皮安級(jí)別的。所以雙極結(jié)型晶體管 (三極管) 放大器的輸入需要基極電流來(lái)實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)钠茫虼溯斎肫秒娏饕蟮枚啵俏布?jí)別的。因此，輸入偏置電流對(duì)于BJT放大器來(lái)說是一個(gè)重要問題。

為什么需要BJT輸入放大器？

既然BJT輸入放大器的輸入偏置電流大， CMOS放大器的輸入偏置電流小，那BJT輸入放大器是不是要淘汰了？當(dāng)然不會(huì)，在相同的靜態(tài)電流下，BJT與CMOS晶體管相比具有更大的跨導(dǎo)。BJT之間的匹配也更好（匹配不好，就會(huì)導(dǎo)致輸入失調(diào)電流較大），BJT噪聲性能也更好。放大能力指標(biāo)跨導(dǎo)，BJT之間的匹配性，噪聲能力，這三個(gè)因素都是影響運(yùn)放性能的關(guān)鍵因素，所以BJT輸入放大器雖然輸入偏置電流大，但是優(yōu)勢(shì)也不小。

Part 02

案例分析

上面我們著重介紹了運(yùn)放需要偏置電流才能正常工作，那么如何為運(yùn)放設(shè)置偏置電流？如何一眼看出運(yùn)放的偏置電流設(shè)置的有沒有問題呢？接下來(lái)我們就看一個(gè)案例。我們以同相放大電路為例。下面是仿真電路圖：

接下來(lái)是仿真波形：綠色線是放大后的輸出波形，藍(lán)色線是輸入波形

乍一看這仿真波形挺正常，接下來(lái)我們放大看一看，輸入電壓為0V，輸出電壓也應(yīng)該是0V，但是實(shí)際仿真會(huì)發(fā)現(xiàn)輸出存在-100mV的輸出失調(diào)電壓，那這個(gè)-100mV的輸出失調(diào)電壓是哪里來(lái)的呢？明明輸入都放了電容，即便輸入直流信號(hào)自己有偏置也肯定不會(huì)導(dǎo)致輸出存在失調(diào)電壓啊，難道是運(yùn)放自己不太行？

直接說答案吧，其實(shí)就是運(yùn)放是偏置電流設(shè)置不正確導(dǎo)致的。

再看看原理圖，前面我們說了運(yùn)放需要配置正確的直流偏置點(diǎn)才能正常工作，電容C1在進(jìn)行直流分析時(shí)，其阻抗相當(dāng)于無(wú)窮大，這導(dǎo)致運(yùn)放+輸入引腳的電流非常小，從而無(wú)法為運(yùn)放提供正確的直流偏置點(diǎn)，導(dǎo)致輸出存在-100mV的輸出失調(diào)電壓。

如何解決呢？很簡(jiǎn)單，既然電路的偏置不正確，那我們就加個(gè)正確的偏置，也就是下面的電阻R4，所以如果在電路圖里看到運(yùn)放輸入接了各對(duì)地的電阻，你可別感覺沒用就直接去掉，一定要搞清楚了。

增加電阻R4后我們重新仿真，得到下面的仿真波形，這下輸入電壓為0V，輸出電壓也是0V了，這樣就對(duì)了。

Part 03

如何快速判斷偏置電流有沒有問題呢？

如果你的運(yùn)放電路里有加電容或者變壓器隔離，那么你就看看運(yùn)放的輸入+和-有沒有和電源或地通過電阻相連，比如下面這倆電路一看就有問題，

解決的方案就是下面直接電阻搞起就行了。