将pA偏置电流放大器与高源阻抗传感器配合使用

作者：Kevin Scott and Jon Munson

需要低偏置电流放大器

进行传感器测量时，使用的传感器激励类型差异很大;它可以是直流信号、交流信号、电压源、电流源或脉冲源等等。当使用电流源激励或使用高阻抗传感器时，放大器的偏置电流通常是一个重要的规格，因为当偏置电流流过外部电阻时，它会产生不希望的电压误差项。因此，许多此类应用通常需要低偏置电流放大器。

如图 1 所示，其中 LTC6268 500MHz 功放偏置电流 FET 输入放大器用于将光电流转换为电压测量值。理想情况下，光电二极管电流（I帕金森） 将等于反馈电流 （IFB） 和我偏见将为 = 0。在实际应用中，零偏置电流放大器是不现实的。然而，LTC6268 的 ±3fA 典型偏置电流和 ±4pA 的温度偏置电流为宽带宽、低偏置电流放大器设定了标准。

图1.我偏见光电二极管信号调理应用中的错误。

输出饱和度

需要低偏置电流放大器的传感器包括光电二极管、加速度计、化学传感器、压电或压阻式压力传感器和水听器。如果放大器的输入过驱动，使用带有高阻抗传感器的低偏置电流放大器可能会导致问题，从而导致偏置电流增加。发生这种情况时，放大器可能会“卡住”，输入信号不再能够拉低输出信号以纠正这种情况。下面的LTC6091缓冲电路就是一个容易发生这种情况的示例。LTC®6091 是一款双通道、140V 精准放大器，仅具有 50pA 偏置电流 （25°C 时最大值）、一个轨至轨输出摆幅和仅 50μV 的输入失调电压。其共模范围限制为与电源轨 3V

图2.LTC6091：饱和输出可能导致输入共模违规。

为了理解发生了什么，让我们首先看一下放大器的输入级。

图3.LTC6091 50pA IBIAS放大器输入级。

放大器输入结构

输入级由+INA和-INA组成，它们是放大器第一级N-MOSFET差分对的栅极。当输出因输入过驱而饱和时，需要有通过输入保护网络的偏置电流，以将输入充分下拉，以便器件能够摆脱饱和。然而，高源阻抗一开始就无法提供太多的偏置电流，一旦输入被过驱动并且输出饱和，-INA输入就可以被上拉，使其现在超过共模电压范围。在这种情况下，差分对可以关断，导致不确定的输出状态。如果不确定状态导致输出保持饱和，则需要额外的偏置电流来恢复正常工作。

解决方案

图4显示了使用三放大器配置的仪表放大器电路中该问题的简单解决方案。LTC®6090 是双通道 LTC6091 的单通道放大器版本，而 LT5400-2 则是一款四通道匹配电阻器网络，具有 ±75V 操作、四个 100kΩ 电阻器和优于 0.01% 的电阻匹配。

图4.10kΩ电阻可防止放大器输出饱和。

在输出端增加了两个10kΩ电阻，以限制最差情况下的输出摆幅，并防止反馈电压超过放大器的输入共模范围。实证测试表明，在20MΩ源电阻以上，如果+INA输入被“卡住”，可能没有足够的偏置电流来“释放”+INA输入。由于源电阻较低，因此在发生过驱事件后，可以针对必须克服的保护器件漏电流（即高阻态输入源保持控制）下拉+INA输入。

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审核编辑：郭婷