运放参数解析：输入偏置电流(Ibias)和失调电流(Ios)
今天与大家分享一下运放系列第一个问题：输入偏置电流(ibias)和失调电流(ios)。
（1）运放为什么存在偏置电流
（2）运放输入级对偏置电流的影响
（3）运放内部如何降低偏置电流
（4）如何从手册中识别ibias补偿运放
（5）运放外部如何补偿偏置电流造成的影响
01
大家分析运放电路时对“虚短”与“虚断”这两个概念不陌生。其中“虚断”即表示运放同向端与反向端电流为0，但这是建立在理想运放的前提下。实际的运放输入阻抗不可能为无穷大，因此必然同向端与反向端必然存在微小的电流即失调电流（ibias）。若忽略ibias计算结果必然存在一定误差！不同的运放ibias也存在较大差异，小至fa级别（cmos，jfet运放）大至ua(bjt运放)，并且ib+与ib-的流向可能相同也可能不同，不存在二极管钳位电路和偏置电流补偿电路时ib+与ib-一般为同向，而存在这两种电路时ib+与ib-可能为反向！ibias表达式为
图1 运放偏置电流
那ibias存在的原因是什么呢？图2为标准运放lm358的输入级，我们知道运放正常工作时bjt工作在放大区，因此必须要提供一定的基极电流ib为bjt提供静态工作点使其始终处于放大区，否则bjt将发生截止失真。
图2 lm358输入级
通常运放的输入级为bjt，fet或者mos构成的差分放大电路。由于fet和mos具有极高的输入阻抗，因此由其构成的运放ibias往往比bjt构成的要小。但由于cmos的栅极sio2层易受静电或过压击穿，所以如图3所示运放内部通常会引入二极管进行钳位保护，二极管存在很小的截止电流，所以此时ib+和ib-为二极管截止电流与cmos栅极电流的代数和。由于二极管截止电流方向及大小存在差异因此此类型的运放ib+与ib-流向可能同向或者反向。
图3 cmos+钳位二极管
为了尽可能降低偏置电流，一些精密运放通常采用如图4所示补偿电路为bjt提供必要的基极电流，此时可以极大减小输入偏置电流，此时ib+与ib-为补偿电流与bjt基极电流之差，由于补偿电流源电流差异及bjt的差异，ib+与ib-的大小可能不一样且方向也存在随意性。
图4 i bias补偿电路
ios称作运放的失调电流，其表明运放两输入端ib+和ib-之差，ios=ib+ - ib-。ios越小则表明运放的失调电流一致性越好。此外ios仅对电压型运放适用。
02
看过运放手册的朋友都知道运放是否存在偏置电流补偿和二极管钳位电路往往无法很直接的看出。认识了ios并结合上述ibias的特点，这里有两条小技巧非常方便用来判断：
（1）若手册中ibias参数标有±，很大概率此运放存在偏置电流补偿;
（2）若手册中ios与ibias参数属于同一数量级，则存在偏置电流补偿，若ibias与ios 相差较多，则该运放不存在偏置电流补偿;
表1为adi的lt1358运放对于偏置电流和失调电流的定义，可知该运放ib参数没有±，且ib与ios相差不大，据此可以推断该运放不存在偏置电流补偿和二极管钳位电路。这也可以说明该运放是bjt型运放。
表1 lt1358 数据手册
再看一下ti的opa2607数据手册可知该运放ib为±值，且ib和ios一样大，所以该运放存在偏置电流补偿。
表2 opa2607数据手册
聊到这里，我们需要认识一下偏置电流对电路精度的影响。下图为lt1358配置为电压跟随器的电路。对该电路进行仿真，运放为±5v供电，vi为2v理想电压源，此时vo=1.9999694v，非常接近vi，偏置电流好像没有“发挥”它的作用。
图7 lt1358构成电压跟随器
图8 图7电路仿真结果
如图9所示，现实中上述电路几乎是不存在的，因为电压源都存在内阻rs。仅加入rs后vo=1.9985139v，vo怎么变小了？原因就在于有ib+流过了rs造成vp＜vi！我们再来计算一下看看真的是这样吗？仿真中ib+ = 145.58662na。
bingo！计算结果与仿真结果非常接近，证明我们的分析是正确的。有时我们认为这点误差根本不重要，但是这仅仅是放大倍数为1时，若放大倍数很高时误差将非常大！因为偏置电流会流过外部的电阻网络所以当设计其它运放电路时我们要合理选取外部电阻值尽量减小偏置电流的影响！
图9 实际电压跟随器
图10 图9电路仿真结果
03
那我们如何消除偏置电流造成的误差呢？一方面我们要选用偏置电流尽可能小的运放，另一方面我们也可以如图11在电路中加入rn=10k以此来平衡ib+引起的误差，若rn较大时可以并联cn以减小高频噪声引起的干扰。加入rn后的vo仿真结果如图12为vo=1.9999703v，与2v非常接近，说明rn有助于减小偏置电流造成的误差。
图11 引入平衡电阻rp
图12 引入rp后vo
不论哪种类型的运放都可以利用平衡电阻解决偏置电流造成的误差吗？答案是否定的！只有当运放的ib+和ib-一致性（大小和方向）很好时才可以使用。内部存在偏置电流补偿或者二极管钳位的运放并不能很好地利用平衡电阻进行补偿，因为这种运放ib+和ib-大小和方向都有可能不一样，若盲目的引入平衡电阻有可能造成误差不降反增的结果！所以要先确定好运放的类型再决定是否可以补偿。
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图1 运放偏置电流
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图3 cmos+钳位二极管
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图4 i bias补偿电路
ios称作运放的失调电流，其表明运放两输入端ib+和ib-之差，ios=ib+ - ib-。ios越小则表明运放的失调电流一致性越好。此外ios仅对电压型运放适用。
02
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