2.1 TI 高精度实验室 - 输入失调电压与输入偏置电流

大家好

欢迎来到 TI Precision Labs

德州仪器高精度实验室

本节视频的主题是 Input Offset Voltage

即输入电压偏移误差 Vos

和 Input Bias Current

输入偏置电流 即 IB

我们将会学习运放的 Vos 参数

Vos drift over temperature

即电压漂移误差参数和 IB 的参数

以及 Input Bias Current over temperature

即输入漂移电流的参数

同时我们也会给出 TI 不同运算放大器 Vos

和 IB 的范围

那一开始我们先来定义一下什么是电压偏移误差吧

电压偏移误差是指

强迫让运算放大器输出电压为零伏时

所施加在差动输入的电压值

电压偏移误差的电压范围

一般是在 micro Volt 到 mini Volt 等级

但实际上还是得视运算放大器模组而定

电压偏移误差可以被模组化

至运算放大器晶片内部

相当于一个直流电源连接至输入端

改变 Power Supply Voltage 电源供应电压

以及 Common mode voltage 共模电压

将会影响输入电压偏移误差

那首先先来看一下运算放大器的内部

我们可以看到差动输入对应的 BJT

Q1 Q2 的不匹配会导致电压偏移误差

在某些情况里

内部电阻 Ros1 和 Ros2 是

可以进行镭射调校的电阻

它们可以针对 BJT 的不匹配做补偿

来达到一个非常低的电压偏移误差

还有一些情况是在内部做数位校正电路

来达到最小化电压偏移误差以及电压漂移误差

这一页将介绍运算放大器的详细规范

上面的规格表示 Datasheet 上

所有的参数的测试条件

在这个例子里 温度是摄氏 25 度 C

负载电阻为 10k 欧姆

并且连接到供应电压源的中间值

而共模电压也设定在供应电压源的中间值

除非有另外定义 不然测试条件都是相同的

举个例子来说

当你看电压偏移误差的规格时

会列出额外的测试条件

供应电压源是正负 15 伏

共模电压为零伏

值得注意的是 我们有一般跟最大值的规范值

约在 TYP 的值涵盖了高斯分布里正负一个标准差

或是正负一个σ的值

这表示一整批的 IC 里

有 68% 会坐落在 TYP 的值以下

因此在这个例子里有 68% 的IC元件

电压偏移误差在正负 75uV 以下

那 MAX 呢 它是一个被测试出的值

所以我们不会找到有任何一颗 IC 元件

会产生 Offset Voltage 高于电压偏移误差 MAX

定义的正负 150uV

当然我们也有电压漂移误差的定义

单位是每度 C 多少个 uV

这表示的在整个操作温度里

电压偏移误差改变了多少

在这边 TYP 电压漂移误差是每度 C 0.1个 uV

MAX 电压漂移误差是每度 C 两个 uV

大部分运算放大器的 SPICE 模组

已经将电压偏移误差造成的影响内建在里面

在一些额外的条件下

像是供应电源电压跟共模电压

会影响到真实事件器件的电压偏移误差

这些影响当然也都涵盖在我们的仿真参数模组里

要让仿真结果跟 Datasheet 里面的电压偏移误差

所开的规格一样

那必须要用相同的测试条件下去仿真

在这个例子里

仿真要跟 Datasheet 测试条件相同

电源供应电压设定为 5V

共模输入电压设定为电源供应电压的一半 2.5V

负载也连接至电源供应电压的一半 2.5V

Datasheet 里

TYP 电压偏移误差是 150uV

模拟出来的也是 150uV

我们的目标就是要让仿真模组

跟运算放大器的 TYP 值一样

电压漂移误差的斜率可以是正或负的值

这个公式表示的电压漂移误差的定义

电压偏移误差 透过公式

可能产生出正或负的漂移

这取决于曲线的斜率

有些定义是使用绝对值

所以就不会有负的电压偏移误差值

针对电压漂移误差

我们给一个更明了的定义

这里拆成两段温度区间

当然也可以拆成更多区间来看

拆成两段区间的想法

跟如果只考虑整段温度区间头尾两个点

跟如果只考虑整段温度区间头尾两个点

所预期的误差比较起来

更加贴近实际上所产生的误差

在这个例子里

你可以看到在这里拆成两段的斜率

比起全范围的斜率更加准确一些

要注意的是公式里使用的是绝对值

所以并不会产生出负数值

电压漂移误差的计算

可以用相似的方法来计算

但要注意的是有两个来源

一个是一开始就已经产生的电压偏移误差

而另一个就是电压漂移误差

电压漂移误差在摄氏 25 度 C 时为零

当温度脱离 25 度 C 时

这个温度差会使得电压漂移误差值增加

因此改变了整个电压偏移误差值

举个例子来说

摄氏 25 度 C 时有电压偏移误差 100uV

这个只是在室温下原本就有的电压偏移误差

而没有电压漂移误差项在里面

在摄氏 125 度 C 时 Offset 总共 250uV

其中 100uV 是一开始就有的电压偏移误差

而 150uV 就来自电压漂移误差之下

右边的表格显示了

温度对应的电压偏移误差的变化

记得电压漂移误差的斜率可以是正或负的值

所以两种情况都显示在上面

漂移误差在校正系统里非常重要

在校正系统里面

室温下的电压偏移误差

通常用软体来进行量测以及校正

然而温度漂移的校正是昂贵而且较困难的

所以我们更希望直接选取有较小漂移的 IC 器件

在这个应用例子

我们可以看到要如何计算电压偏移误差

所造成的 Output Voltage Error

输出电压误差

我们把电压偏移误差想成一个直流电压源

串联在运算放大器里面的正端

在这边我们用 0.1 个 mV

或一百 uV 的电压偏移误差

由于输入讯号来源非常小

只有一个 mV

所以电压偏移误差所产生的错误

就会相当的显而易见

途中产生增益一百倍

可由 1+R2/R1 得到

整体的输出电压结合了电压偏移误差 0.1mV

跟输入讯号 1mV 总共 1.1mV

再乘上增益一百倍

所以得到 110 个 mV

所以电压偏移误差造成了快 10% 的误差

这里显示了德州仪器不同运算放大器的

电压偏移误差范围

从 uV 到 mV 最上面列出的 OPA333

使用这种 zero drift 的零漂移技术

内建数位校正电路来最小化电压偏移误差

跟电压漂移误差

有些精准的 BJT 放大器使用 laser trimmimg

来达到电压偏移误差最小化

通常要有低的电压偏移误差

必须在带宽或其他特性去做选择

举个例子来说 OPA835 最佳化的速度

而不是电压偏移误差

此外 低价的放大器

经常是不会去做电压偏移误差

或电压漂移误差的最佳化

现在我们来看 Input Bias Current

输入偏置电流或称作 IB

以及 Input Bias Current Drift

输入漂移电流

输入偏置电流是指流入运算放大器输入端的电流

如图中所示

这个电流可以被模组化为一个电流源

连接至各个输入端

理想上 这两个 Input Bias Current 要相等

并且能互相抵消

但在实际上它们不但不相等

而且还造成了输入偏差电流

Input Offset Current 输入偏差电流

如果输入偏差电流很低

那它可以跟各个输入端的输入阻抗匹配

进而消除输入偏置电流所造成的电压偏压误差

在 BJT 放大器里面

输入偏置电流是指

分别流入 BJT 输入对的基极电流

一般而言BJT 放大器的偏置电流

会大于 MOSFET 和 JFET 放大器

TYP 值在 nA 这个范围

我们可以看到以 LM741C 为例

输入偏差电流最大大约是 200nA

而输入偏置电流最大大约是 500nA

在一些精准 BJT 放大器里

使用一种方法称为 Bias Current Consolation

抵消偏置电流来达到偏置电流最小化

这个方法是做在晶片内部

所以并不需要额外的外部器件

表现出来的样子

就是一个很低偏置电流的 BJT 放大器

抵消偏置电流的做法

是利用侦测输入偏置电流加总起来使其相等

并产生与偏置电流相反的电流来达到抵补

这样做产生的效果

是让原本有数百个 nA 的偏置电流

降至数个 nA

我们从这个例子可以看到表格当中

OPA277 输入偏置电流

最大是正负 1 个 nA

在先前的例子里

偏置电流必须流进 BJT 的基极

所以只有一个极性

在这边偏置电流可以有两个极性

因为当抵消偏置电流不是这么完美的时候

我们无法得知抵补完剩下的电流极性

会是正还是负值

在 MOSFET 或 JFET 的运算放大器里面

ESD 保护二极体的漏电流

是造成输入偏置电流的主要因素

MOSFET 栅极输入端拥有相当低的漏电流

所以它并不会产生很大的偏置电流

你可以看到这个例子里

OPA369 的输入偏置电流最大才 50 个 pA

要记得一件事那就是低的偏置电流

和整个温度范围的关系

在 MOSFET 放大器里面

每 10 度 C 偏置电流可以变化到两倍

在左边这个例子里

我们可以看到 OPA350 在超过摄氏 25 度 C 时

输入偏置电流很明显的增加

所以说不能只注意室温下的偏置电流值

因为在更高温度下会有很明显的错误

请注意图片纵轴是用 log 函数为单位

而在 BJT 放大器里面室温下初始的

输入偏置电流通常都比较大

所以输入漂移电流变化可以说是相对很小

在右边这个例子里

我们可以看到 OPA277 在超过摄氏 75 度 C 时

输入偏置电流才开始明显增加

请注意图片纵轴是线性刻度单位

偏置电流的计算跟偏压误差的计算是非常相似的

首先我们用两个电流源分别接至

运算放大器的正负输入端

当成是偏置电流模组

请注意接至正端输入的偏置电流

是回灌到输入信号源那边

那边如果没有电阻来源将不会造成任何误差

但如果有个电阻来源连接至正端输入

那偏置电流会产生出一个电压误差

这边会出现的误差是由于负端输入的

输入偏置电流流过 R1 以及 R2

如果我们用节点分析来看

可以看到输出电压等于 Ib 乘上回溯电阻

然后我们可以接着算出 Ib

和输入讯号对应输出电压

利用重叠定理

我们可以分别把 Bias Current 产生的输出讯号

等于 20mV 以及输入讯号所导致的输出讯号

100mV 加进去

当然前提是它们得独立不相关

在这个例子里

全部加总的输出电压是 120mV

输入偏置电流产生的误差是 20%

请记得这个误差的计算

是用在高温下 Ib 的值去进行计算

如果用室温下的值去做计算

会发现误差值明显的小了很多

这个表格显示了不同的德州仪器运算放大器

对应到他们的输入偏置电流

在特别的 CMOS 放大器范围可以到 pA 等级

但一般高速以及商用运算放大器

都是高至数百个 nA

请注意 BJT 放大器的输入偏置电流

通常高于 CMOS 放大器

当 BJT 放大器内建抵消偏置电流电路在里面

像是 OPA277

会比没有内建抵消偏置电流电路在里面

像是 OPA2111 有较低的输入偏置电流

这段视频就介绍到这边

感谢您的观看

接着来牛刀小试一下

看你对这段视频了解了多少

大家好

欢迎来到 TI Precision Labs

德州仪器高精度实验室

本节视频的主题是 Input Offset Voltage

即输入电压偏移误差 Vos

和 Input Bias Current

输入偏置电流 即 IB

我们将会学习运放的 Vos 参数

Vos drift over temperature

即电压漂移误差参数和 IB 的参数

以及 Input Bias Current over temperature

即输入漂移电流的参数

同时我们也会给出 TI 不同运算放大器 Vos

和 IB 的范围

那一开始我们先来定义一下什么是电压偏移误差吧

电压偏移误差是指

强迫让运算放大器输出电压为零伏时

所施加在差动输入的电压值

电压偏移误差的电压范围

一般是在 micro Volt 到 mini Volt 等级

但实际上还是得视运算放大器模组而定

电压偏移误差可以被模组化

至运算放大器晶片内部

相当于一个直流电源连接至输入端

改变 Power Supply Voltage 电源供应电压

以及 Common mode voltage 共模电压

将会影响输入电压偏移误差

那首先先来看一下运算放大器的内部

我们可以看到差动输入对应的 BJT

Q1 Q2 的不匹配会导致电压偏移误差

在某些情况里

内部电阻 Ros1 和 Ros2 是

可以进行镭射调校的电阻

它们可以针对 BJT 的不匹配做补偿

来达到一个非常低的电压偏移误差

还有一些情况是在内部做数位校正电路

来达到最小化电压偏移误差以及电压漂移误差

这一页将介绍运算放大器的详细规范

上面的规格表示 Datasheet 上

所有的参数的测试条件

在这个例子里 温度是摄氏 25 度 C

负载电阻为 10k 欧姆

并且连接到供应电压源的中间值

而共模电压也设定在供应电压源的中间值

除非有另外定义 不然测试条件都是相同的

举个例子来说

当你看电压偏移误差的规格时

会列出额外的测试条件

供应电压源是正负 15 伏

共模电压为零伏

值得注意的是 我们有一般跟最大值的规范值

约在 TYP 的值涵盖了高斯分布里正负一个标准差

或是正负一个σ的值

这表示一整批的 IC 里

有 68% 会坐落在 TYP 的值以下

因此在这个例子里有 68% 的IC元件

电压偏移误差在正负 75uV 以下

那 MAX 呢 它是一个被测试出的值

所以我们不会找到有任何一颗 IC 元件

会产生 Offset Voltage 高于电压偏移误差 MAX

定义的正负 150uV

当然我们也有电压漂移误差的定义

单位是每度 C 多少个 uV

这表示的在整个操作温度里

电压偏移误差改变了多少

在这边 TYP 电压漂移误差是每度 C 0.1个 uV

MAX 电压漂移误差是每度 C 两个 uV

大部分运算放大器的 SPICE 模组

已经将电压偏移误差造成的影响内建在里面

在一些额外的条件下

像是供应电源电压跟共模电压

会影响到真实事件器件的电压偏移误差

这些影响当然也都涵盖在我们的仿真参数模组里

要让仿真结果跟 Datasheet 里面的电压偏移误差

所开的规格一样

那必须要用相同的测试条件下去仿真

在这个例子里

仿真要跟 Datasheet 测试条件相同

电源供应电压设定为 5V

共模输入电压设定为电源供应电压的一半 2.5V

负载也连接至电源供应电压的一半 2.5V

Datasheet 里

TYP 电压偏移误差是 150uV

模拟出来的也是 150uV

我们的目标就是要让仿真模组

跟运算放大器的 TYP 值一样

电压漂移误差的斜率可以是正或负的值

这个公式表示的电压漂移误差的定义

电压偏移误差 透过公式

可能产生出正或负的漂移

这取决于曲线的斜率

有些定义是使用绝对值

所以就不会有负的电压偏移误差值

针对电压漂移误差

我们给一个更明了的定义

这里拆成两段温度区间

当然也可以拆成更多区间来看

拆成两段区间的想法

跟如果只考虑整段温度区间头尾两个点

跟如果只考虑整段温度区间头尾两个点

所预期的误差比较起来

更加贴近实际上所产生的误差

在这个例子里

你可以看到在这里拆成两段的斜率

比起全范围的斜率更加准确一些

要注意的是公式里使用的是绝对值

所以并不会产生出负数值

电压漂移误差的计算

可以用相似的方法来计算

但要注意的是有两个来源

一个是一开始就已经产生的电压偏移误差

而另一个就是电压漂移误差

电压漂移误差在摄氏 25 度 C 时为零

当温度脱离 25 度 C 时

这个温度差会使得电压漂移误差值增加

因此改变了整个电压偏移误差值

举个例子来说

摄氏 25 度 C 时有电压偏移误差 100uV

这个只是在室温下原本就有的电压偏移误差

而没有电压漂移误差项在里面

在摄氏 125 度 C 时 Offset 总共 250uV

其中 100uV 是一开始就有的电压偏移误差

而 150uV 就来自电压漂移误差之下

右边的表格显示了

温度对应的电压偏移误差的变化

记得电压漂移误差的斜率可以是正或负的值

所以两种情况都显示在上面

漂移误差在校正系统里非常重要

在校正系统里面

室温下的电压偏移误差

通常用软体来进行量测以及校正

然而温度漂移的校正是昂贵而且较困难的

所以我们更希望直接选取有较小漂移的 IC 器件

在这个应用例子

我们可以看到要如何计算电压偏移误差

所造成的 Output Voltage Error

输出电压误差

我们把电压偏移误差想成一个直流电压源

串联在运算放大器里面的正端

在这边我们用 0.1 个 mV

或一百 uV 的电压偏移误差

由于输入讯号来源非常小

只有一个 mV

所以电压偏移误差所产生的错误

就会相当的显而易见

途中产生增益一百倍

可由 1+R2/R1 得到

整体的输出电压结合了电压偏移误差 0.1mV

跟输入讯号 1mV 总共 1.1mV

再乘上增益一百倍

所以得到 110 个 mV

所以电压偏移误差造成了快 10% 的误差

这里显示了德州仪器不同运算放大器的

电压偏移误差范围

从 uV 到 mV 最上面列出的 OPA333

使用这种 zero drift 的零漂移技术

内建数位校正电路来最小化电压偏移误差

跟电压漂移误差

有些精准的 BJT 放大器使用 laser trimmimg

来达到电压偏移误差最小化

通常要有低的电压偏移误差

必须在带宽或其他特性去做选择

举个例子来说 OPA835 最佳化的速度

而不是电压偏移误差

此外 低价的放大器

经常是不会去做电压偏移误差

或电压漂移误差的最佳化

现在我们来看 Input Bias Current

输入偏置电流或称作 IB

以及 Input Bias Current Drift

输入漂移电流

输入偏置电流是指流入运算放大器输入端的电流

如图中所示

这个电流可以被模组化为一个电流源

连接至各个输入端

理想上 这两个 Input Bias Current 要相等

并且能互相抵消

但在实际上它们不但不相等

而且还造成了输入偏差电流

Input Offset Current 输入偏差电流

如果输入偏差电流很低

那它可以跟各个输入端的输入阻抗匹配

进而消除输入偏置电流所造成的电压偏压误差

在 BJT 放大器里面

输入偏置电流是指

分别流入 BJT 输入对的基极电流

一般而言BJT 放大器的偏置电流

会大于 MOSFET 和 JFET 放大器

TYP 值在 nA 这个范围

我们可以看到以 LM741C 为例

输入偏差电流最大大约是 200nA

而输入偏置电流最大大约是 500nA

在一些精准 BJT 放大器里

使用一种方法称为 Bias Current Consolation

抵消偏置电流来达到偏置电流最小化

这个方法是做在晶片内部

所以并不需要额外的外部器件

表现出来的样子

就是一个很低偏置电流的 BJT 放大器

抵消偏置电流的做法

是利用侦测输入偏置电流加总起来使其相等

并产生与偏置电流相反的电流来达到抵补

这样做产生的效果

是让原本有数百个 nA 的偏置电流

降至数个 nA

我们从这个例子可以看到表格当中

OPA277 输入偏置电流

最大是正负 1 个 nA

在先前的例子里

偏置电流必须流进 BJT 的基极

所以只有一个极性

在这边偏置电流可以有两个极性

因为当抵消偏置电流不是这么完美的时候

我们无法得知抵补完剩下的电流极性

会是正还是负值

在 MOSFET 或 JFET 的运算放大器里面

ESD 保护二极体的漏电流

是造成输入偏置电流的主要因素

MOSFET 栅极输入端拥有相当低的漏电流

所以它并不会产生很大的偏置电流

你可以看到这个例子里

OPA369 的输入偏置电流最大才 50 个 pA

要记得一件事那就是低的偏置电流

和整个温度范围的关系

在 MOSFET 放大器里面

每 10 度 C 偏置电流可以变化到两倍

在左边这个例子里

我们可以看到 OPA350 在超过摄氏 25 度 C 时

输入偏置电流很明显的增加

所以说不能只注意室温下的偏置电流值

因为在更高温度下会有很明显的错误

请注意图片纵轴是用 log 函数为单位

而在 BJT 放大器里面室温下初始的

输入偏置电流通常都比较大

所以输入漂移电流变化可以说是相对很小

在右边这个例子里

我们可以看到 OPA277 在超过摄氏 75 度 C 时

输入偏置电流才开始明显增加

请注意图片纵轴是线性刻度单位

偏置电流的计算跟偏压误差的计算是非常相似的

首先我们用两个电流源分别接至

运算放大器的正负输入端

当成是偏置电流模组

请注意接至正端输入的偏置电流

是回灌到输入信号源那边

那边如果没有电阻来源将不会造成任何误差

但如果有个电阻来源连接至正端输入

那偏置电流会产生出一个电压误差

这边会出现的误差是由于负端输入的

输入偏置电流流过 R1 以及 R2

如果我们用节点分析来看

可以看到输出电压等于 Ib 乘上回溯电阻

然后我们可以接着算出 Ib

和输入讯号对应输出电压

利用重叠定理

我们可以分别把 Bias Current 产生的输出讯号

等于 20mV 以及输入讯号所导致的输出讯号

100mV 加进去

当然前提是它们得独立不相关

在这个例子里

全部加总的输出电压是 120mV

输入偏置电流产生的误差是 20%

请记得这个误差的计算

是用在高温下 Ib 的值去进行计算

如果用室温下的值去做计算

会发现误差值明显的小了很多

这个表格显示了不同的德州仪器运算放大器

对应到他们的输入偏置电流

在特别的 CMOS 放大器范围可以到 pA 等级

但一般高速以及商用运算放大器

都是高至数百个 nA

请注意 BJT 放大器的输入偏置电流

通常高于 CMOS 放大器

当 BJT 放大器内建抵消偏置电流电路在里面

像是 OPA277

会比没有内建抵消偏置电流电路在里面

像是 OPA2111 有较低的输入偏置电流

这段视频就介绍到这边

感谢您的观看

接着来牛刀小试一下

看你对这段视频了解了多少