运算放大器电路案例分析：没有为运放设置正确的输入偏置电流引发的输出失调电压异常

Part 01

前言

提到运算放大器的特性，大家能想到的关键词基本是开环增益、失调电压、带宽和噪声，很容易把输入偏置电流给忽略掉。我想大概率是因为在大学学习模拟电路时经常听到“虚短”，“虚断”导致的吧，因为“虚断”是因为理想运放输入阻抗无穷大，既然都无穷大了，那还考虑啥输入偏置电流呢？如果这样想，说明你只是看到了运放的“表”，而没有仔细研究过运放的“里”。 偏置电流的定义 先赘述一下偏置电流的定义吧，规格书中的名词“输入偏置电流”(IB) – 是指流入或流出运算放大器输入引脚的直流电流，这一直流电流存在的意义是运放在正常工作期间为运放设置正确的直流工作点。 为什么需要为运放设置直流工作点呢？

那么问题来了，为什么需要为运放设置直流工作点呢？看下图黄色区域，有些人一看到运放内部拓扑电路就头大，这么一大堆三极管，看不懂怎么办呢？不管多复杂，记住运放就三大块：输入级，中间级，输出级。

黄色区域是运放的输入级，输入级就是一个差分放大电路，比如下图的Q1，Q2就是差分输入对管，这是两个PNP三极管，看到三极管，看到放大，你就想想三极管要想工作在放大区，就得为三极管设置直流工作点，避免三极管饱和或者截止了。除了三极管，我们也能用MOS管搭建输入级的差分放大电路，各有优势，如果用MOSFET，MOSFET属于电压控制器件，MOSFET工作时需要的直流栅极电流非常小，此时输入偏置电流主要由来自输入端口的ESD保护器件和连接到输入的其他次级电路的漏电决定，漏电流的大小很小，一般是皮安级别的。所以双极结型晶体管 (三极管) 放大器的输入需要基极电流来实现适当的偏置，因此输入偏置电流要大得多，是微安级别的。因此，输入偏置电流对于BJT放大器来说是一个重要问题。

为什么需要BJT输入放大器？

既然BJT输入放大器的输入偏置电流大， CMOS放大器的输入偏置电流小，那BJT输入放大器是不是要淘汰了？当然不会，在相同的静态电流下，BJT与CMOS晶体管相比具有更大的跨导。BJT之间的匹配也更好（匹配不好，就会导致输入失调电流较大），BJT噪声性能也更好。放大能力指标跨导，BJT之间的匹配性，噪声能力，这三个因素都是影响运放性能的关键因素，所以BJT输入放大器虽然输入偏置电流大，但是优势也不小。

Part 02

案例分析

上面我们着重介绍了运放需要偏置电流才能正常工作，那么如何为运放设置偏置电流？如何一眼看出运放的偏置电流设置的有没有问题呢？接下来我们就看一个案例。我们以同相放大电路为例。下面是仿真电路图：

接下来是仿真波形：绿色线是放大后的输出波形，蓝色线是输入波形

乍一看这仿真波形挺正常，接下来我们放大看一看，输入电压为0V，输出电压也应该是0V，但是实际仿真会发现输出存在-100mV的输出失调电压，那这个-100mV的输出失调电压是哪里来的呢？明明输入都放了电容，即便输入直流信号自己有偏置也肯定不会导致输出存在失调电压啊，难道是运放自己不太行？

直接说答案吧，其实就是运放是偏置电流设置不正确导致的。

再看看原理图，前面我们说了运放需要配置正确的直流偏置点才能正常工作，电容C1在进行直流分析时，其阻抗相当于无穷大，这导致运放+输入引脚的电流非常小，从而无法为运放提供正确的直流偏置点，导致输出存在-100mV的输出失调电压。

如何解决呢？很简单，既然电路的偏置不正确，那我们就加个正确的偏置，也就是下面的电阻R4，所以如果在电路图里看到运放输入接了各对地的电阻，你可别感觉没用就直接去掉，一定要搞清楚了。

增加电阻R4后我们重新仿真，得到下面的仿真波形，这下输入电压为0V，输出电压也是0V了，这样就对了。

Part 03

如何快速判断偏置电流有没有问题呢？

如果你的运放电路里有加电容或者变压器隔离，那么你就看看运放的输入+和-有没有和电源或地通过电阻相连，比如下面这俩电路一看就有问题，

解决的方案就是下面直接电阻搞起就行了。