Температурная зависимость входного тока смещения и случайный вопрос на засыпку

Продолжаем публикацию глав руководства Брюса Трампа, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ). В главах 9 и 10 будет рассказано о температурной зависимости входного тока смещения и использовании входных резисторов для устранения входного тока смещения.
2967
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.

Температурная зависимость входного тока смещения и случайный вопрос на засыпку

В предыдущей статье  я рассмотрел причины возникновения входного тока смещения в усилителях с КМОП- и JFET-входами, и обнаружил, что ими являются токи утечек обратно смещенных p-n-переходов. В заключении я предупредил, что эти утечки значительно увеличиваются с ростом температуры.

Ток утечки обратно смещенного p-n-перехода имеет сильную положительную температурную зависимость. Он практически удваивается при увеличении температуры примерно на каждые 10°C. Эта экспоненциальная зависимость ускоренно нарастает, как показано на нормализованном графике на рисунке 20. При 125°C величина утечки в 1000 раз больше, чем при комнатной температуре.

Ток утечки обратно смещенного p-n-перехода практически удваивается при увеличении температуры на каждые 10°C

Рис. 20. Ток утечки обратно смещенного p-n-перехода практически удваивается при увеличении температуры на каждые 10°C

Скорость роста токов утечки зависит от диодных характеристик, обычно удвоение происходит в диапазоне 8…11°C. Повышение тока смещения при высоких температурах может быть серьезной проблемой в некоторых схемах. В таких случаях следует выбирать операционные усилители КМОП и JFET с очень низким начальным входным током смещения. Иногда можно достичь более малого значения тока смещения при высоких температурах с помощью операционных усилителей с биполярными входами, которые не имеют такого резкого увеличения токов утечки при высоких температурах.

Значение тока утечки обычно уменьшается при более низких температурах, но здесь может сказаться наличие других источников утечки. Эти источники могут иметь разные температурные зависимости. Честно говоря, о поведении входов при температуре ниже комнатной известно меньше, потому что большую озабоченность вызывают токи утечки именно при повышенной температуре. Однако не стоит быть излишне уверенным в поведении ОУ при температурах значительно ниже комнатной, так как при этом появляется возможность осаждения конденсата, и поверхностные токи утечки очень быстро увеличиваются.

Как обсуждалось в предыдущей статье, входной ток смещения большинства ОУ с КМОП-входами возникает из-за разницы в значениях токов утечки двух ограничительных диодов, подключенных к выводам питания. Даже в идеальном и совершенно сбалансированном мире разница между двумя почти равными токами утечки по-прежнему имеет экспоненциальную зависимость от температуры, просто она начинает свой рост с более малого значения. Полярность тока утечки не является определенной. При небольших изменениях в поведении диодов ток может поменять направление при определенной температуре (представленный на рисунке 20 логарифмический график показывает абсолютное значение без знака).

Итак, какие выводы можно сделать из всего вышесказанного? Если очень низкий входной ток смещения является критическим параметром для схемы с КМОП-усилителем, то следует внимательно ознакомиться с динамикой его изменения при увеличении температуры. Необходимо изучить все характеристики и графики типовых зависимостей. Важно избегать размещения чувствительных схем вблизи источников тепла. При необходимости стоит проводить свои собственные измерения. Для особо ответственных приложений существуют специальные усилители со сверхмалым входным током смещения. Они используют схему защиты с уникальной структурой соединений для достижения входных токов в диапазоне 3 фА при комнатной температуре, что на три порядка ниже, чем у устройств общего назначения.

Примеры:

  • LMP7721 – КМОП-усилитель со входным током смещения 3 фА;
  • INA116 – инструментальный усилитель с ультрамалым входным током смещения 3 фА.

Вопрос на засыпку: что означают черные полосы на корпусе пленочных конденсаторов, изображенных на рисунке 21?

Каково назначение черных полос на корпусе пленочных конденсаторов?

Рис. 21. Каково назначение черных полос на корпусе пленочных конденсаторов?

Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?

Используете ли вы дополнительный резистор для выравнивания сопротивлений на входах ОУ в вашей схеме? Рассмотрите схему, представленную на рисунке 22. Многим из нас советовали добавлять резистор Rb, выбирая его значение равным сопротивлению параллельного включения R1 и R2. Давайте проанализируем назначение этого резистора и рассмотрим, когда уместно его использование, а когда – нет.

Резистор подключается к неинвертирующему входу для согласования входных сопротивлений

Рис. 22. Резистор подключается к неинвертирующему входу для согласования входных сопротивлений

Основная функция резистора Rb заключается в уменьшении напряжения смещения, вызываемого входным током смещения. Если оба входа имеют одинаковые значения входных токов, то эти токи создадут на равных входных сопротивлениях равные напряжения смещения. Таким образом, входной ток не будет влиять на общее напряжение смещения схемы. Эта идея в некоторых случаях имеет смысл. Но перед тем как добавить резистор Rb, все же стоит задуматься, так ли он необходим?

Очень часто сопротивление параллельно включенных резисторов R1 и R2 оказывается достаточно низким, а входной ток смещения настолько малым, что смещение, создаваемое без дополнительного сопротивления Rb, не так уж велико. Перед тем как добавить резистор в схему, стоит оценить вносимую погрешность. Предположим, что для этой схемы входной ток смещения операционного усилителя составляет 10 нА. Без использования Rb входное напряжение смещения, вызванное входным током смещения, будет рассчитываться по формуле 1:

Напряжение смещения = (10 нА) × (7,5 кОм) = 75 мкВ   (1)

Будет ли входное напряжение смещения 75 мкВ влиять на вашу схему? Если ответ отрицательный – то зачем добавлять резистор?

Рассмотрим напряжение смещения используемого операционного усилителя. Если, например, в документации указано значение 1 мВ, то, может быть, нет смысла бороться со значением в 75 мкВ? Поэтому перед тем как добавлять резистор Rb в схему, стоит сравнить величину входного напряжения смещения с погрешностью, вызываемой током входного смещения.

В схемах преобразователей «ток-напряжение» (Transimpedance amplifier) часто используются высокие значения сопротивления обратной связи для усиления очень малых токов (рисунок 23). Здесь снова может возникнуть соблазн добавить Rb для баланса сопротивления на обоих входах. Однако в этих приложениях обычно используются FET- или КМОП-усилители. Благодаря малым значениям их входных токов вносимая погрешность смещения, как правило, оказывается очень малой.

Схемы с высоким входным импедансом на базе усилителй с FET- или КМОП-входами могут обойтись без дополнительного согласующего резистора Rb

Рис. 23. Схемы с высоким входным импедансом на базе усилителй с FET- или КМОП-входами могут обойтись без дополнительного согласующего резистора Rb

Тепловой шум резистора Rb и возможное усиление шумов, генерируемых высокоимпедансным источником входного сигнала, являются дополнительными причинами отказа от использования согласующего сопротивления. Если ошибка, возникающая из-за входного тока смещения минимальна – зачем добавлять в схему шум?

Иногда встречаются случаи, когда использование согласующего резистора Rb является обоснованным. Однако очень многие схемы не получают от этого значительных преимуществ и даже могут проиграть по ряду параметров.

Предыдущие главы:

Источник: www.compel.ru

Сравнение позиций

  • ()