運算放大器電路案例分析：沒有為運放設置正確的輸入偏置電流引發(fā)的輸出失調電壓異常

Part 01、前言

提到運算放大器的特性，大家能想到的關鍵詞基本是開環(huán)增益、失調電壓、帶寬和噪聲，很容易把輸入偏置電流給忽略掉。我想大概率是因為在大學學習模擬電路時經常聽到“虛短”，“虛斷”導致的吧，因為“虛斷”是因為理想運放輸入阻抗無窮大，既然都無窮大了，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放的“表”，而沒有仔細研究過運放的“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放在正常工作期間為運放設置正確的直流工作點。

為什么需要為運放設置直流工作點呢？

那么問題來了，為什么需要為運放設置直流工作點呢？看下圖黃色區(qū)域，有些人一看到運放內部拓撲電路就頭大，這么一大堆三極管，看不懂怎么辦呢？不管多復雜，記住運放就三大塊：輸入級，中間級，輸出級。

黃色區(qū)域是運放的輸入級，輸入級就是一個差分放大電路，比如下圖的Q1，Q2就是差分輸入對管，這是兩個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)，就得為三極管設置直流工作點，避免三極管飽和或者截止了。除了三極管，我們也能用MOS管搭建輸入級的差分放大電路，各有優(yōu)勢，如果用MOSFET，MOSFET屬于電壓控制器件，MOSFET工作時需要的直流柵極電流非常小，此時輸入偏置電流主要由來自輸入端口的ESD保護器件和連接到輸入的其他次級電路的漏電決定，漏電流的大小很小，一般是皮安級別的。所以雙極結型晶體管 (三極管) 放大器的輸入需要基極電流來實現適當的偏置，因此輸入偏置電流要大得多，是微安級別的。因此，輸入偏置電流對于BJT放大器來說是一個重要問題。

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？當然不會，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。BJT之間的匹配也更好（匹配不好，就會導致輸入失調電流較大），BJT噪聲性能也更好。放大能力指標跨導，BJT之間的匹配性，噪聲能力，這三個因素都是影響運放性能的關鍵因素，所以BJT輸入放大器雖然輸入偏置電流大，但是優(yōu)勢也不小。

Part 02、案例分析

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

接下來是仿真波形：綠色線是放大后的輸出波形，藍色線是輸入波形

乍一看這仿真波形挺正常，接下來我們放大看一看，輸入電壓為0V，輸出電壓也應該是0V，但是實際仿真會發(fā)現輸出存在-100mV的輸出失調電壓，那這個-100mV的輸出失調電壓是哪里來的呢？明明輸入都放了電容，即便輸入直流信號自己有偏置也肯定不會導致輸出存在失調電壓啊，難道是運放自己不太行？

直接說答案吧，其實就是運放是偏置電流設置不正確導致的。

再看看原理圖，前面我們說了運放需要配置正確的直流偏置點才能正常工作，電容C1在進行直流分析時，其阻抗相當于無窮大，這導致運放+輸入引腳的電流非常小，從而無法為運放提供正確的直流偏置點，導致輸出存在-100mV的輸出失調電壓。

如何解決呢？很簡單，既然電路的偏置不正確，那我們就加個正確的偏置，也就是下面的電阻R4，所以如果在電路圖里看到運放輸入接了各對地的電阻，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，這樣就對了。

Part 03、如何快速判斷偏置電流有沒有問題呢？

如果你的運放電路里有加電容或者變壓器隔離，那么你就看看運放的輸入+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。

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