Input Bias Current

Когда я начинал заниматься разработкой электроники, моей задачей было делать трассировку плат по уже разработанным электрическим схемам. А заодно и разобраться, как и почему они работают.

Когда смотришь на уже готовые схемы неопытными глазами, то возникает куча вопросов типа: "А зачем здесь этот конденсатор?", "А зачем здесь этот резистор?", "А почему у него именно такой номинал, а не другой?", "А как Вы выбирали этот номинал: считали или на глаз?".

Одним из таких вопросов, который я долго не понимал: «Почему у схем на операционных усилителях номиналы резисторов стоят в районе 10к - 100к?»

Коэффициент усиления задается соотношением резисторов, а не их абсолютным значением. То есть, с тем же успехом можно ставить 1 - 100 Ом или 1МОм - 100МОм.

Input bias current

Мы знаем, что идеальный операционный усилитель имеет бесконечно входное сопротивление. А значит, ток в его входы не течет. Но в то же время, мы знаем, что операционный усилитель не идеальный. А значит что-то всё-таки какой-то ток там протекает.

Значение входного тока смещения может быть как положительным, так и отрицательным. То есть течь как внутрь ОУ, так и из него, в зависимости от типа микросхемы.

Значения обычно небольшие: пикоАмперы, наноАмперы, в худшем случае микроАмперы. Представить их можно, как источник тока внутри ОУ, который создает падение напряжения на внешних резисторах.

Собственно, именно этим ток смещения и неприятен: он вносит небольшое искажение в напряжение на своих входах.

Поэтом это искажение усиляется коэффициентом усиления и вносит неточность в измерения. Подробнее о том, как лишнее напряжение на входе ОУ влияет на итоговый результат писал в предыдущем посте об Input Offset Voltage.

Как снизить влияние?

В принципе устранить ошибку из-за тока смещения очень просто: нужно чтоб его влияние было одинаковым на оба входа, а следовательно разница напряжений из-за тока смещения на входах оставалась равной нулю.

На рисунке ниже показан пример, как добавить в неинвертирующий или инвертирующий усилитель такую компенсацию.

Если Input bias current для обоих входов одинаков, то достаточно поставить резистор на положительный вход. Номинал Rb должен быть равен эквивалентному номиналу R1 и R2, который рассчитывается по формуле параллельного подключения резисторов:

Если токи смещения в разные входы разные, то расчеты чуть сложнее, но главная идея понятна. Как это всё устроено с математической точки зрения, неплохо описано в этом видео.

P.S.

Почему не ставят резисторы с маленьким номиналом объясняется "большим потреблением по току". Тут всё кристально чисто и понятно.

Почему не ставят резисторы с большим номиналом объясняется тем, что "они могут увеличить шум и чувствительность к паразитным емкостям". Красиво, логично и туманно.

Когда читаешь про input bias current становится чуть понятнее, в чем проблема мегаомных резисторов: U = I*R. Чем больше резистор, тем больше на нем падает напряжение от тока смещения, тем бóльшая ошибка на выходе.

Ее конечно можно скомпенсировать, но вряд ли это удастся сделать идеально в ноль. Что-то всё-таки пролезет и будет вносить погрешность.

Так что 10к - 100к всё еще наилучший баланс между потреблением и шумами.