Входной ток смещения КМОП- и JFET-усилителей

Статья является частью руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ) – от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки. 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.

Мы публикуем перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав

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).

Рис. 17. 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.

Рис. 18. 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.

Рис. 19. 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.

Примеры:

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

Список ранее опубликованных глав

  1. Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу
  2. Что нужно знать о входах rail-to-rail
  3. Работа с напряжениями близкими к земле: случай однополярного питания
  4. Напряжение смещения и коэффициент усиления с разомкнутым контуром обратной связи — двоюродные братья
  5. SPICE-моделирование напряжения смещения: как определить чувствительность схемы к напряжению смещения
  6. Где выводы подстройки? Некоторые особенности выводов коррекции напряжения смещения
  7. Входной импеданс против входного тока смещения
•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее

Товары
Наименование
OPA320AIDBVT (TI)
OPA320SAIDBVT (TI)
OPA320AQDBVRQ1 (TI)
OPA320AIDBV (TI)
OPA320AQDBVTQ1 (TI)
OPA140AIDBVT (TI)
OPA140AIDGKR (TI)
OPA140ATDD2 (TI)
OPA140AID (TI)
OPA140AIDGKT (TI)
LMP7721MA/NOPB (TI)
LMP7721MAEVALMF/NOPB (TI)
LMP7721MAEVALMF_NOPB (TI)
LMP7721MA (TI)
LMP7721MAX/NOPB (TI)
INA116P (TI)
INA116UAG4 (TI)
INA116PA (TI)
INA116PAG4 (TI)
INA116UA (TI)
Рубрики: