【经验】运放的偏置电流Ib：从输入端的直流通路到热电偶检测应用

时间： 2021-07-29 来源：思瑞浦

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给运放输入端提供直流通路（DC path）在很多文章中都有写到，如下图分别是不带DC path和带DC path典型应用。

图1. 不带DC path

图1中如果电容C的漏电流很小，则Ib由于没有足够大的泄放路径而对电容充电，进而形成offset voltage，这样的DC偏差就会影响运放的直流工作点。

图2. 带DC path

图2的办法是通过并联大电阻形成DC path，来消除或者尽量减小Ib带来的影响。但这种方法也会带来一些弊端，例如减小了输入阻抗等。

下面的案例是与之有联系但却完全相反的一个应用问题。

图3是一个热电偶的应用电路（运放是4通道，用到其中A，B，C三个通道，单电源+5V供电），为防止热电偶测量中由于电偶断丝而使控温失效造成事故，变送器中设有断电保护电路，当热电偶断丝或接触不良时，变送器会输出较大值以使仪表切断电源。

图3.

当用一个Bipolar运放OP1测试时可以轻松实现上述功能，而当用CMOS结构的运放OP2时，上述的功能完全失效。热电偶接上时OP1最终输出100mV, OP2输出10mV左右；热电偶断开时OP1输出3.2V，OP2输出接近10mV。

首先在热电偶接上的情况下，测量热电偶两端电压是0，根据热电偶的特性，这时候应该是等同于热电偶两端用导线短接，且实际没有直接或间接的接地回路。

此时被放大的信号就大部分是运放自身的失调电压Vos（两通道运放的Vos相加），下面分别是OP1和OP2的Vos参数表。

OP1的变化范围比OP2大不少，所以测量到OP1输出100mV，而OP2只有10mV是正常的，当然每颗芯片的输出肯定会有差异。

当热电偶不接的情况下，由于外部偏置电压5V的分压和运放的高输入阻抗，PIN3保持2.5V。由于OP1是Bipolar结构，其Ibias比OP2大很多，如下图，根本不是一个数量级。

所以当线路中存在47nF的电容时，PIN10的Ib会对其充电，使得PIN10接近理论电压轨5V（受运放供电限制）。进一步的理论推算如下（与实际情况下受钳位影响不一定相符，但可用于判定最终输出），由于PIN10是5V左右，所以PIN9也是5V。因为PIN2是2.5V（等于PIN3），那么PIN1会被钳位到接近0V（实际不会达到0V），PIN8会被钳位在不到5V，然后可以计算出PIN7输出也会是5V，但由于OP1并不是轨到轨输出，所以会被钳位在3～4V附近。这也是为什么OP1最终输出差不多是3.2V。

而OP2的Ib太小，由于电容有漏电流所以不足以对47nF的电容产生影响，PIN10和PIN8两个位置都处于0电势，此时OP2最终输出会被钳位到尽量靠近负电压轨，即输出接近10mV。

所以一切并不是绝对的，需要看实际系统中这些“利弊”是否会带来问题，这也是模拟器件为什么如此考验应用，如此考验工程师经验的原因。

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