Входной импеданс против входного тока смещения. Входной ток смещения КМОП- и JFET-усилителей

Продолжаем публикацию глав руководства Брюса Трампа, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ). В главах 7 и 8 будет уделено внимание входному импедансу и входному току смещения КМОП- и JFET-усилителей
522
В избранное

На сайте нашего партнера компании Компэл опубликованы главы руководства Брюса Трампа, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ). Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях. Представляем вашему вниманию очередные главы из него.

Входной импеданс против входного тока смещения

Когда я помогаю выбирать операционные и инструментальные усилители, то часто слышу фразу: «Мне требуется по-настоящему высокий входной импеданс».

На самом деле входное сопротивление редко доставляет настоящие проблемы. (Входная емкость, реактивная часть входного импеданса – другое дело). Вместо этого чаще всего требуется малый входной ток смещения (input bias current, IB). Да, эти параметры связаны между собой, но есть важные отличия. Давайте с ними разберемся.

Самая простая модель входа может быть представлена в виде схемы с параллельным включением источника тока (входной ток смещения) и входного резистора (рисунок 15). Наличие резистора приводит к тому, что ток меняется при изменении напряжения. Входной ток смещения – это входной ток, измеренный при конкретном входном напряжении, обычно – при напряжении средней точки.

Простейшая модель входа ОУ

Рис. 15. Простейшая модель входа ОУ

Входное сопротивление является мерой изменения входного тока при изменении входного напряжения. Ток входного смещения может быть на уровне одного ампера, а входное сопротивление – по-прежнему иметь чрезвычайно высокое значение.

Компания Texas Instruments часто приводит типовой график зависимости входного тока смещения от синфазного напряжения. Несколько примеров показано на рисунке 16: как видим, данная зависимость – это не совсем прямая линия. Обратите внимание, что OPA211 – операционный усилитель с биполярными входами (bipolar junction transistor, BJT) со встроенной схемой компенсации входного тока смещения. Схема компенсации значительно уменьшает ток смещения, который, тем не менее, все еще остается довольно значительным. Входной ток смещения OPA211 и высокий уровень шума делают его непригодным для работы с источниками сигнала с собственным сопротивлением более 10 кОм. Однако входное сопротивление этого ОУ 1,3 ГОм редко становится источником проблем.

Зависимость входного тока смещения от синфазного напряжения

Рис. 16. Зависимость входного тока смещения от синфазного напряжения

ОУ OPA320 – КМОП-усилитель, имеющий сверхмалый входной ток смещения, который, в первую очередь, определяется токами утечки встроенной схемы защиты от электростатического разряда (ESD). Эти токи утечки достигают максимума вблизи граничных значений диапазона входных напряжений. Когда требуется обеспечить очень малый входной ток смещения, лучше всего выбирать КМОП ОУ и ОУ на базе полевых транзисторов с управляющим pn-переходом (JFET op amp). Конечно, для них входное сопротивление также велико, но, как правило, это не является самым важным фактором при выборе усилителя.

Существует несколько причин, по которым большой входной ток смещения играет отрицательную роль в точных аналоговых схемах. Протекая через сопротивление источника сигнала или через сопротивление цепи обратной связи, он формирует входное напряжение смещения IB·RS. При протекании этого тока через некоторые типы датчиков и химические элементы, такие, например, как pH-зонды, он может поляризовать электроды, приводить к появлению погрешностей и даже неустранимых повреждений. В схеме интеграторов входной ток смещения будет заряжать конденсатор интегрирующей цепочки, что вызовет нарастание выходного напряжения при нулевом входном сигнале.

В зависимости от степени чувствительности схемы ко входному току смещения, величина этого тока может стать решающим фактором при выборе усилителя. Следует обязательно ознакомиться с типовыми графиками зависимости входного тока смещения от входного напряжения ОУ, особое внимание уделяя целевому диапазону напряжений. Влияние нагрева на поведение ОУ с КМОП и JFET-входами может быть очень значительным, так как ток смещения для них обычно резко возрастает с повышением температуры.

Входной ток смещения КМОП- и JFET-усилителей

ОУ с КМОП- и JFET-входами часто выбирают из-за их малого входного тока. Однако кроме строки в таблице параметров существуют дополнительные тонкости, о которых следует знать.

Затвор КМОП-транзистора (рабочий вход операционного усилителя) имеет чрезвычайно малый входной ток. Однако эти чувствительные входы должны быть защищены от электростатического разряда (ESD) и электрических перенапряжений (EOS) с помощью дополнительных схем, которые являются основным источником входного тока смещения. Эти схемы используют встроенные ограничительные диоды, подключенные к напряжению питания. В качестве примера на рисунке 17a представлена схема входного каскада OPA320. Диоды имеют небольшой ток утечки – порядка нескольких пикоампер. При входном напряжении вблизи средней точки их токи утечки довольно хорошо согласованы, а разница между ними не превышает 1 пА, что и определяет величину входного тока смещения усилителя.

Соотношение между токами утечки диодов меняется, когда входное напряжение приближается к значениям питающих напряжений. Например, вблизи нижней границы обратное напряжение для D2 стремится к нулю и его ток утечки уменьшается. При этом ток утечки от D1 будет вносить основной вклад, определяя более высокий входной ток смещения, вытекающий из ОУ. Аналогичная ситуация происходит, когда входное напряжение приближается к верхней границе диапазона напряжений. Ток входного смещения, указанный в документации, измерен для средней точки питания, для которой, как было показано выше, токи утечек диодов практически равны и достаточно малы.

В результате ток смещения изменяется при изменении входного напряжения, как показано на рисунке 17б. Для любого конкретного ОУ существует входное напряжение, при котором входной ток смещения равен нулю (при условии отсутствия значительных токов утечки по корпусу или по печатной плате).

Защита ОУ от ESD и перенапряжений (EOS) с помощью диодов, (a); зависимость тока смещения от входного напряжения (б)

Рис. 17. Защита ОУ от ESD и перенапряжений (EOS) с помощью диодов, (a); зависимость тока смещения от входного напряжения (б)

На самом деле rail-to-rail-усилитель может самостоятельно дополнительно сместить свой вход (рисунок 18): выход будет дрейфовать до напряжения, соответствующего нулевому значению входного тока смещения. Это – интересный эксперимент, но не особенно полезная схема.

Rail-to-rail-усилитель с КМОП-входом сам дополнительно смещает свой вход (схема не рекомендуется к использованию!)

Рис. 18. Rail-to-rail-усилитель с КМОП-входом сам дополнительно смещает свой вход (схема не рекомендуется к использованию!)

Для ОУ на базе полевых транзисторов с управляющим pn-переходом (JFET-входами), например, для OPA140, все обстоит несколько иначе (рисунок 19). В данном случае вход транзистора представляет собой p-n-переход, и его ток утечки вносит основной вклад в значение входного тока смещения. Чисто физически этот переход больше, чем у включенных параллельно ограничительных диодов, а значит – выше оказывается и его ток утечки. Таким образом, для ОУ данного типа ток входного смещения чаще всего однонаправлен. Его величина может меняться и быть различной для разных усилителей. Какой вывод можно из этого сделать? Будьте очень внимательны, если для вашей схемы важен сверхмалый входной ток смещения. Уделите пристальное внимание предоставленным типовым графикам, чтобы собрать всю доступную информацию. Если схема работает со входными напряжениями, близкими к уровням напряжений питания, это может привести к более высоким значениям входного тока смещения. По этой же причине стоит помнить еще про одну важную особенность – входной ток смещения значительно увеличивается с ростом температуры.

Входной ток для ОУ с JFET-входами, как правило, однонаправлен

Рис. 19. Входной ток для ОУ с JFET-входами, как правило, однонаправлен

В этой статье рассматривались универсальные КМОП- и JFET-усилители общего назначения, но существуют специальные усилители со сверхмалыми значениями входного тока смещения. Они используют особую схему защиты с уникальной структурой соединений для достижения входных токов в диапазоне 3 фА, что на три порядка ниже, чем у устройств общего назначения.

Предыдущие главы:

Источник: www.compel.ru

Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
OPA211AID
OPA211AID
Texas Instruments
Арт.: 242832 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
Operational Amplifier (Op-Amp) IC; No. of Amplifiers:1; Op Amp Type:Low Offset Voltage; Gain Bandwidth -3db:45MHz; Slew Rate:27V/чs; Supply Voltage Min:4.5V; Supply Voltage Max:36V; No. of Pins:8
OPA211AID
-
Поиск
предложений
OPA211AIDR
OPA211AIDR
Texas Instruments
Арт.: 311908 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
1.1nV/rtHz Noise, Low Power, Precision Operational Amplifier 8-SOIC -40 to 125
OPA211AIDR
-
Поиск
предложений
OPA211AIDG4
OPA211AIDG4
Texas Instruments
Арт.: 321237 PDF AN RD
Поиск
предложений
IC, OP AMP LOW NOISE, PRECISION
OPA211AIDG4
-
Поиск
предложений
OPA211ID
OPA211ID
Texas Instruments
Арт.: 339601 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
1.1nV/rtHz Noise, Low Power, Precision Operational Amplifier 8-SOIC -40 to 125
OPA211ID
-
Поиск
предложений
OPA211AIDGKT
OPA211AIDGKT
Texas Instruments
Арт.: 342661 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
1.1nV/rtHz Noise, Low Power, Precision Operational Amplifier 8-VSSOP -40 to 125
OPA211AIDGKT
-
Поиск
предложений
OPA211AIDGKR
OPA211AIDGKR
Texas Instruments
Арт.: 385755 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
IC OPAMP GP R-R 80MHZ SGL 8MSOP
OPA211AIDGKR
-
Поиск
предложений
OPA211AIDGKTG4
OPA211AIDGKTG4
Texas Instruments
Арт.: 385757 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
IC OPAMP 1.1NV/HZ NOISE 8-MSOP
OPA211AIDGKTG4
-
Поиск
предложений
OPA211AIDRG4
OPA211AIDRG4
Texas Instruments
Арт.: 385758 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
IC OPAMP GP R-R 80MHZ SGL 8SOIC
OPA211AIDRG4
-
Поиск
предложений
OPA211AIDRGR
OPA211AIDRGR
Texas Instruments
Арт.: 385759 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
IC OPAMP GP R-R 80MHZ SGL 8SON
OPA211AIDRGR
-
Поиск
предложений
OPA211AIDRGTG4
OPA211AIDRGTG4
Texas Instruments
Арт.: 385762 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
IC OPAMP 1.1NV/HZ NOISE 8-SON
OPA211AIDRGTG4
-
Поиск
предложений
OPA140AID
OPA140AID
Texas Instruments
Арт.: 623675 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
11MHz, Single Supply, Low Noise, Precision, Rail-to-Rail Output, JFET Amplifier 8-SOIC -40 to 125
OPA140AID
-
Поиск
предложений
OPA140AIDGKR
OPA140AIDGKR
Texas Instruments
Арт.: 623676 PDF AN RD
Поиск
предложений
OP AMP, PRECISION, 11MHZ, 20V/us, MSOP-8
OPA140AIDGKR
-
Поиск
предложений
OPA140AIDGKT
OPA140AIDGKT
Texas Instruments
Арт.: 623677 PDF AN RD
Поиск
предложений
OP AMP, 11MHZ, 20V/US, 120UV, MSOP-8
OPA140AIDGKT
-
Поиск
предложений
OPA140AIDBVR
OPA140AIDBVR
Texas Instruments
Арт.: 791295 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
HIGH-PRECISION, LOW-NOISE, RAIL-TO-RAIL OUTPUT,11MHZ JFET OP AMP
OPA140AIDBVR
-
Поиск
предложений
OPA140AIDBVT
OPA140AIDBVT
Texas Instruments
Арт.: 791296 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
11MHz, Single Supply, Low Noise, Precision, Rail-to-Rail Output, JFET Amplifier 5-SOT-23 -40 to 125
OPA140AIDBVT
-
Поиск
предложений
OPA320AIDBVR
OPA320AIDBVR
Texas Instruments
Арт.: 856686 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
Precision, 20MHz, 0.9pA Ib, RRIO, CMOS Operational Amplifier 5-SOT-23 -40 to 125
OPA320AIDBVR
-
Поиск
предложений
OPA320AIDBVT
OPA320AIDBVT
Texas Instruments
Арт.: 856687 PDF AN RD
Поиск
предложений
OP AMP, CMOS, 20MHZ, 5SOT23, FULL REEL
OPA320AIDBVT
-
Поиск
предложений
OPA320SAIDBVT
OPA320SAIDBVT
Texas Instruments
Арт.: 1204055 PDF AN RD
Поиск
предложений
IC, OP-AMP, SINGLE, 20MHZ, SOT-23-6
OPA320SAIDBVT
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()