运放电路中偏置电流补偿电阻起到什么作用
本篇文章开始前，先出2道题考考大家，可以带着问题阅读文章。
1）下图中的电阻rb是什么作用？
2）在运放电路中，何时加入rb呢？
*答案见文末*
在解释rb的作用前，必须要清楚运放的两个参数：偏置电流ib （bias current）与输入失调电流ios（offset current），rb和这两个参数紧密相关。◉ 什么是偏置电流ib 与输入失调电流ios？通常情况将放大器的同相输入端与反相输入端的输入电流的平均值作为偏置电流ib。在实际的放大器中，通常输入级为差分输入对管结构的就是电压反馈型放大器电路如图 1（a）所示，其两个输入脚in1和in2就存在偏置电流。电流反馈型放大器不是差分输入对管结构，如图 1（b）所示，以bjt输入级电流反馈型放大器为例其同相端为基极输入，反相端为射极输出。电流反馈型放大器的输入级决定了其直流指标相对较差，通常不运用于直流或者低频放大电路。
图1 电压反馈型与电流反馈型输入级拓扑◉ 影响偏置电流大小的主要因素是输入级的类型。通常bjt型放大器输入级的偏置电流较大，由于需要从输入端提供ib电流给输入级的bjt的基极，通常其偏置电流在na~ua级别。cmos与fat型的放大器其输入偏置电流一般较小，这种类型的放大器由于绝缘栅漏电流极小，其偏置电流的来源主要是输入级的钳位二极管的漏电流，通常为pa~fa级别。对于高阻抗的传感器或者是信号源需要选择偏置电流小的放大器，比如1mohm输出阻抗的信号源如果用偏置电流为100na的放大器，那么就会产生1mohm*100na = 100mv 的电压。因此在放大高输出阻抗信号时候应该优先考虑使用fat型运放，它的偏置电流更小而且输入阻抗比bjt型放大器更大。
图2 jfet输入型的放大器ada4622的参数表
图3 bjt型输入级放大器ada4807的电流参数表
◉ 输入失调电流是放大器的两个输入端的电流的偏差。导致输入失调电流的主要原因是由于放大器输入级差分对不完全匹配。同时温度也会影响放大器的输入偏置电流，采用温漂（input offset current drift）来描述这个参数，表示的是温度每升高1度输入级电流的变化量。◉ 消失的偏置电流补偿电阻
图4 带偏置电流补偿电阻的基本放大电路运放设计电路中，大家会经常见到在放大器输入端添加一个偏置电流补偿电阻rb，并且使得rb=r1//r2。我们接下来分析rb的作用以及是否真的需要它。以同相放大为例，流入反相端的电流在r1//r2上产生的压降为vos1=ibn*（r1//r2） ，那么由于添加了rb电阻，所以在同相端上由于偏置电流产生的电压为vos2=ibp*rb。当满足rb=r1//r2时，对于放大器的同相端和反相端而言，由于偏置电流在电阻上产生的电压就相等。因此采用引入rb的方法消除了ib的影响。这种方式在应对某些“老款”的放大器是适用的。同时也应该避免定式思维，在添加rb电阻之前应该考虑是否需要这个电阻，以图 2中的ada4622为例，在极限情况下其偏置电流最大为1.5na，如果使用的电阻有r1//r2=1k那么由于偏置电流产生的电压为1.5uv，因此在设计电路时候需要考虑这1.5uv的直流偏置是否会对感兴趣的信号产生影响。
图5 内部电流源提供偏置现在的精密双极性放大器的输入级通常会在内部做偏置补偿电流源。如图 5所示通过电流源is2与is3为bjt提供偏置电流从而减小从输入脚抽取的电流。此时偏置电流主要为电流源is2/is3与bjt所需要的偏置电流之间的差值，因此这个偏置电流可能为流入放大器的输入脚，也可能从放大器同反相输入脚流出。通常通过偏置电流补偿的运放其偏置电流与失调电流的数量级相当。所以，现在很多运放电路中不会使用偏置电流补偿电阻。
由于偏置电流补偿的放大器也存在偏置电流，因此在使用这种放大器设计电路时也需要为它设计偏置回路。总结一个通用的规则是在设计放大电路的时候要特别小心，要为放大器提供一个偏置回路。如图 6 （a） 所示为错误接法，同相端为交流耦合，没有为同相端提供偏置回路。正确的使用方法应该如图 6（b）所示通过电阻r7为同相端提供偏置回路。
图6交流耦合同相放大电路◉ 因此总结上述的内容，我们来回答文章开始前的2道题。
1）电阻rb是什么作用？
添加rb的作用是减小由于偏置电流在r1//r2上产生的压降，从而减小引入到输入端的误差。
2）在运放电路中，何时加入rb呢？
当我们在判断是否需要使用rb电阻进行补偿时，应该先查阅对应芯片的datasheet中关于偏置电流与失调电流的描述。
a） 如果偏置电流与失调电流数量级相当，那么引入rb电阻将没有实质效果甚至还会由于在输入端传入了电阻会带来热噪声。
b） 如果偏置电流明显大于失调电流，那么需要计算在当前电路拓扑中偏置电流产生的直流误差是否足以影响到我们关心的信号的精度。
附运算放大器的参数定义：
1.共模输入电阻（rincm），表示运算放大器工作在线性区时，输入共模电压范围与该范围内偏置电流的变化量之比。
2.直流共模抑制（cmrdc），用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同直流信号的抑制能力。
3.交流共模抑制（cmrac），衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同交流信号的抑制能力，是差模开环增益除以共模开环增益的函数。
4.增益带宽积（gbw），主要是针对电压反馈型放大器，描述的是增益与带宽的乘积，基本为一个定值。
5.输入偏置电流（ib），该参数指运算放大器工作在线性区时流入输入端的平均电流。
6.输入偏置电流温漂（tcib），代表输入偏置电流在温度变化时产生的变化量。tcib通常以pa/°c为单位表示。
7.输入失调电流（ios），指流入两个输入端的电流之差。
8.输入失调电流温漂（tcios），代表输入失调电流在温度变化时产生的变化量。tcios通常以pa/°c为单位表示。
9.差模输入电阻（rin），输入电压的变化量与相应的输入电流变化量之比，电压的变化导致电流的变化。在一个输入端测量时，另一输入端接固定的共模电压。
10.输出阻抗（zo），是指运算放大器工作在线性区时，输出端的内部等效小信号阻抗。
11.输出电压摆幅（vo），输出信号不发生箝位的条件下能够达到的最大电压摆幅的峰峰值，vo一般定义在特定的负载电阻和电源电压下。
12.功耗（pd），器件在给定电源电压下所消耗的静态功率，pd通常定义在空载情况下。
13.电源抑制比（psrr），衡量在电源电压变化时运算放大器保持其输出不变的能力，psrr通常用电源电压变化时所导致的输入失调电压的变化量表示。
14.转换速率/压摆率（sr），指输出电压的变化量与发生这个变化所需时间之比的最大值。sr通常以v/s，v/ms和v/μs为单位表示，有时也分别表示成正向变化和负向变化。
15.电源电流（icc、idd），在指定电源电压下器件消耗的静态电流，这些参数通常定义在空载情况下。
16.单位增益带宽（bw），该参数指开环增益大于1时运算放大器的最大工作频率。
17.输入失调电压（vos），该参数表示使输出电压为零时需要在输入端作用的电压差。
18.输入失调电压温漂（tcvos），指温度变化引起的输入失调电压的变化，通常以μv/℃为单位表示。
19.输入电容（cin），表示运算放大器工作在线性区时任何一个输入端的等效电容（另一输入端接地）。
20.输入电压范围（vin），运算放大器正常工作（可获得预期结果）时，所允许的输入电压的范围，vin通常定义在指定的电源电压下。
21.输入电压噪声密度（en），对于运算放大器，输入电压噪声可以看作是连接到任意一个输入端的串联噪声电压源，en通常以 nv / 根号hz 为单位表示，定义在指定频率。
22.输入电流噪声密度（in），对于运算放大器，输入电流噪声可以看作是两个噪声电流源，连接到每个输入端和公共端，通常以 pa / 根号hz 为单位表示，定义在指定频率。
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2）在运放电路中，何时加入rb呢？
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在解释rb的作用前，必须要清楚运放的两个参数：偏置电流ib （bias current）与输入失调电流ios（offset current），rb和这两个参数紧密相关。◉ 什么是偏置电流ib 与输入失调电流ios？通常情况将放大器的同相输入端与反相输入端的输入电流的平均值作为偏置电流ib。在实际的放大器中，通常输入级为差分输入对管结构的就是电压反馈型放大器电路如图 1（a）所示，其两个输入脚in1和in2就存在偏置电流。电流反馈型放大器不是差分输入对管结构，如图 1（b）所示，以bjt输入级电流反馈型放大器为例其同相端为基极输入，反相端为射极输出。电流反馈型放大器的输入级决定了其直流指标相对较差，通常不运用于直流或者低频放大电路。
图1 电压反馈型与电流反馈型输入级拓扑◉ 影响偏置电流大小的主要因素是输入级的类型。通常bjt型放大器输入级的偏置电流较大，由于需要从输入端提供ib电流给输入级的bjt的基极，通常其偏置电流在na~ua级别。cmos与fat型的放大器其输入偏置电流一般较小，这种类型的放大器由于绝缘栅漏电流极小，其偏置电流的来源主要是输入级的钳位二极管的漏电流，通常为pa~fa级别。对于高阻抗的传感器或者是信号源需要选择偏置电流小的放大器，比如1mohm输出阻抗的信号源如果用偏置电流为100na的放大器，那么就会产生1mohm*100na = 100mv 的电压。因此在放大高输出阻抗信号时候应该优先考虑使用fat型运放，它的偏置电流更小而且输入阻抗比bjt型放大器更大。
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◉ 输入失调电流是放大器的两个输入端的电流的偏差。导致输入失调电流的主要原因是由于放大器输入级差分对不完全匹配。同时温度也会影响放大器的输入偏置电流，采用温漂（input offset current drift）来描述这个参数，表示的是温度每升高1度输入级电流的变化量。◉ 消失的偏置电流补偿电阻
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图5 内部电流源提供偏置现在的精密双极性放大器的输入级通常会在内部做偏置补偿电流源。如图 5所示通过电流源is2与is3为bjt提供偏置电流从而减小从输入脚抽取的电流。此时偏置电流主要为电流源is2/is3与bjt所需要的偏置电流之间的差值，因此这个偏置电流可能为流入放大器的输入脚，也可能从放大器同反相输入脚流出。通常通过偏置电流补偿的运放其偏置电流与失调电流的数量级相当。所以，现在很多运放电路中不会使用偏置电流补偿电阻。
由于偏置电流补偿的放大器也存在偏置电流，因此在使用这种放大器设计电路时也需要为它设计偏置回路。总结一个通用的规则是在设计放大电路的时候要特别小心，要为放大器提供一个偏置回路。如图 6 （a） 所示为错误接法，同相端为交流耦合，没有为同相端提供偏置回路。正确的使用方法应该如图 6（b）所示通过电阻r7为同相端提供偏置回路。
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1）电阻rb是什么作用？
添加rb的作用是减小由于偏置电流在r1//r2上产生的压降，从而减小引入到输入端的误差。
2）在运放电路中，何时加入rb呢？
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a） 如果偏置电流与失调电流数量级相当，那么引入rb电阻将没有实质效果甚至还会由于在输入端传入了电阻会带来热噪声。
b） 如果偏置电流明显大于失调电流，那么需要计算在当前电路拓扑中偏置电流产生的直流误差是否足以影响到我们关心的信号的精度。
附运算放大器的参数定义：
1.共模输入电阻（rincm），表示运算放大器工作在线性区时，输入共模电压范围与该范围内偏置电流的变化量之比。
2.直流共模抑制（cmrdc），用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同直流信号的抑制能力。
3.交流共模抑制（cmrac），衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同交流信号的抑制能力，是差模开环增益除以共模开环增益的函数。
4.增益带宽积（gbw），主要是针对电压反馈型放大器，描述的是增益与带宽的乘积，基本为一个定值。
5.输入偏置电流（ib），该参数指运算放大器工作在线性区时流入输入端的平均电流。
6.输入偏置电流温漂（tcib），代表输入偏置电流在温度变化时产生的变化量。tcib通常以pa/°c为单位表示。
7.输入失调电流（ios），指流入两个输入端的电流之差。
8.输入失调电流温漂（tcios），代表输入失调电流在温度变化时产生的变化量。tcios通常以pa/°c为单位表示。
9.差模输入电阻（rin），输入电压的变化量与相应的输入电流变化量之比，电压的变化导致电流的变化。在一个输入端测量时，另一输入端接固定的共模电压。
10.输出阻抗（zo），是指运算放大器工作在线性区时，输出端的内部等效小信号阻抗。
11.输出电压摆幅（vo），输出信号不发生箝位的条件下能够达到的最大电压摆幅的峰峰值，vo一般定义在特定的负载电阻和电源电压下。
12.功耗（pd），器件在给定电源电压下所消耗的静态功率，pd通常定义在空载情况下。
13.电源抑制比（psrr），衡量在电源电压变化时运算放大器保持其输出不变的能力，psrr通常用电源电压变化时所导致的输入失调电压的变化量表示。
14.转换速率/压摆率（sr），指输出电压的变化量与发生这个变化所需时间之比的最大值。sr通常以v/s，v/ms和v/μs为单位表示，有时也分别表示成正向变化和负向变化。
15.电源电流（icc、idd），在指定电源电压下器件消耗的静态电流，这些参数通常定义在空载情况下。
16.单位增益带宽（bw），该参数指开环增益大于1时运算放大器的最大工作频率。
17.输入失调电压（vos），该参数表示使输出电压为零时需要在输入端作用的电压差。
18.输入失调电压温漂（tcvos），指温度变化引起的输入失调电压的变化，通常以μv/℃为单位表示。
19.输入电容（cin），表示运算放大器工作在线性区时任何一个输入端的等效电容（另一输入端接地）。
20.输入电压范围（vin），运算放大器正常工作（可获得预期结果）时，所允许的输入电压的范围，vin通常定义在指定的电源电压下。
21.输入电压噪声密度（en），对于运算放大器，输入电压噪声可以看作是连接到任意一个输入端的串联噪声电压源，en通常以 nv / 根号hz 为单位表示，定义在指定频率。
22.输入电流噪声密度（in），对于运算放大器，输入电流噪声可以看作是两个噪声电流源，连接到每个输入端和公共端，通常以 pa / 根号hz 为单位表示，定义在指定频率。
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