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缓冲威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 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