使用 pA 级偏置电流放大器和高源阻抗传感器时，如何避免放大器输出驱动器饱和

为什么需要低偏置电流放大器

进行传感器测量时，所用传感器激励的类型差别很大，可能是 DC 信号、AC 信号、电压源、电流源或脉冲源等等，不一而足。使用电流源激励或使用高阻抗传感器时，放大器的偏置电流常常是一个重要规格，因为在偏置电流流经外部电阻时，会产生不想要的电压误差项。由于这个原因，在很多这类应用中，常常需要低偏置电流放大器。

图 1 显示了这一点，图中用 500MHz、毫微微安培偏置电流、FET 输入放大器 LTC6268 将光电流转换成电压测量值。理想情况下，光电二极管的电流 (IPD) 等于反馈电流 (IFB)，IBIAS = 0。事实上，零偏置电流放大器是不现实的。不过，LTC6268 的 ±3fA 典型偏置电流和 ±4pA 过热偏置电流为宽带、低偏置电流放大器树立了标准。

图1：光电二极管信号调理应用中的 IBIAS 误差

输出饱和

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以及水听器。使用低偏置电流放大器和高阻抗传感器时，如果放大器的输入过驱动，可能导致偏置电流增大，这会引起问题。偏置电流增大后，放大器可能会“卡住”，输入信号不再能拉低输出信号，无法纠正这种情况。图 2 中的 LTC6091 缓冲器电路就是一个很容易发生这种情况的例子。LTC6091 是一款双输出、140V 高精确度放大器，具仅为 50pA 偏置电流 (在 25°C 时的最大值)、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相差 3V。为了理解所发生的情况，我们先来看看放大器的输入级，如图 3 所示。

图 2：LTC6091：饱和输出有可能导致违反输入共模规格

图 3： 50pA IBIAS 放大器 LTC6091 的输入级

放大器输入级架构

输入级由 +INA 和 –INA 组成，这是放大器第一级 N-MOSFET 差分对的栅极。输入过驱动导致输出饱和时，就需要偏置电流通过输入保护网络去充分拉低输入，这样该器件就能够脱离饱和状态。不过，高源阻抗起初无法提供很大的偏置电流，一旦输入过驱动、输出饱和， –INA 输入就可能被拉高，超出共模电压范围。在这种情况下，差分对可能断路，导致不确定的输出状态。如果这种不确定状态导致输出维持饱和，那么就需要更大的偏置电流来恢复正常运行。

解决方案

图 4 显示了一款简便的解决方案，用 3 个放大器的配置在仪表放大器电路中解决这个问题。LTC6090 是双路放大器 LTC6091 的单路放大器版本，LT5400-2 是 4 个匹配电阻器组成的网络，在 ±75V 范围内运行，采用 4 个 100kΩ 电阻器，电阻器匹配度好于 0.01%。

图 4：10kΩ 电阻器防止放大器输出饱和

在输出端上增设了两个 10kΩ 电阻器以限制最坏情况输出摆幅，并防止反馈电压总是超过放大器的输入共模范围。实证检验表明：当源电阻高于 20MΩ 时，如果 +INA 输入将被“卡住”，则可能没有足够的偏置电流以将其“解放”。通过采用较低的源电阻，在一个针对必须克服的保护器件漏电流的过驱动过程之后，可以把 +INA 输入拉低 (即：高阻抗输入电源保持控制)。

ADI 提供具各种性能规格和电源电压要求的多种低偏置电流放大器。这些器件可帮助客户以最佳性能水平实现传感器设计。