جریان تغذیه ورودی آپ امپ

جهت جریان تغذیه ورودی

بطور ایده‌آل، جریان پایانه ورودی آپ امپ صفر است. در عمل، همیشه دو جریان تغذیه ورودی، وجود دارد (شکل 1 را مشاهده کنید).

یک شاخص بسیار متغیر!
بسته به نوع قطعه می‌تواند از 60 فمتوآمپر (1 الکترون در هر 3 میکروثانیه) تا چندین میکروآمپر تغییر کند.
برخی ساختارها I_Bکاملا متناسب دارند، برخی دیگر نه.
I_Bبرخی ساختارها با دما به مقدار کمی تغییر می‌کند، اما یک آپ امپ اثرمیدان با 10 درجه سانتیگراد افزایش دما دو برابر می‌شود.
IB برخی ساختارها ممکن است در هریک از دو جهت جریان یابد.

مقدار I_B از 60 فمتوآمپر (در حدود 1 الکترون در هر سه میکروثانیه) در برق‌سنج AD549 ، تا ده‌ها میکروآمپر در برخی آپ امپ‌های سرعت بالا تغییر می‌کند. جریان‌های‌ تغذیه آپ امپ‌ها با ساختار ورودی ساده با استفاده جفت ترانزیستورهای تفاضلی پیوندی دوقطبی یا اثرمیدان که در آنها خروجی متناسب با تفاضل دو ورودی است در یک جهت جریان می‌یابند. جریان‌های تغذیه ساختارهای ورودی پیچیده‌تر (آپ امپ‌های فیدبک تغذیه جبران‌شده و جریان) ممکن است برابر با تفاوت بین دو یا تعداد بیش‌تری منبع جریان داخلی باشند و در هر دو جهت ممکن است جریان ‌یابند.

جریان تغذیه مشکلی برای کاربر آپ امپ است زیرا این جریان در امپدانس‌های خروجی جریان می‌یابد و ولتاژهایی را تولید می‌کند، که به خطاهای سامانه می‌افزاید. یک بافر بهره واحد غیرمعکوس‌کننده را درنظربگیرید که از یک امپدانس منبع 1 مگا اهم گرفته شده است. اگر 10 نانوآمپر باشد، 10 میلی ولتی خطای اضافی ایجادخواهدکرد. این درجه خطا در هیچ سامانه‌ای ناچیز نیست.

اگر طراح بسادگی را فراموش کند و از تزویج خازنی استفاده کند، مدار اصلا کار نخواهدکرد! یا اگر کوچک باشد ممکن است مدار در حین شارژ خازن بصورت لحظه‌ای کار کند، و نتایج گمراه‌کننده‌تری نیز به بارآورد. درنتیجه تاثیر در هیچ مدار آپ امپی قابل چشم‌پوشی نیست. این نکته در مدارهای تقویت‌کننده ابزار دقیق نیز وجود دارد.

جریان آفست ورودی

جریان آفست ورودی، I_os، تفاوت میان +I_B و –I_B است، یا – I_os= I_B⁺– I_Bهمچنین توجه داشته باشید که وجود Ios تنها در جایی‌که دو جریان تغذیه مجزا کاملا منطقی و بخوبی منطبق باشند، معنا دارد. این موضوع برای اکثر آپ امپ‌های فیدبک ولتاژ صدق می‌کند. با این‌حال، برای مثال بیان I_os برای آپ امپ فیدبک جریان بی‌معنی است، زیرا این جریان‌ها کاملا مطابقت ندارند.

لازم بذکر است که طبقه‌های ورودی ریل تا ریل شامل دو طبقه موازی هستند که جریان‌های تغذیه آنها با عبور ولتاژ حالت مشترک از ناحیه گذار، تغییر جهت می‌دهند. علی الخصوص، برخلاف سهولت دادن یک مقدار مثبت یا منفی حداکثر، تعیین جریان‌های تغذیه و آفست برای این قطعات دشوار است

مدارهای حذف جریان تغذیه داخلی

با تامین جریان‌های تغذیه ضروری از طریق یک منبع جریان داخلی، همانند شکل.2، تنها جریان خارجی که اختلاف بین جریان بیس و جریان منبع است در پایانه‌های ورودی جریان می‌یابد و می‌تواند بسیار کوچک باشد.

اکثر آپ امپ‌های طبقه ورودی دوقطبی دقیق مدرن، همانند سری‌های آشنا OP07 و OP27 ، از برخی ابزارهای جبران‌سازی جریان تغذیه داخلی استفاده می‌کنند.

طبقه‌های ورودی جبران‌شده جریان تغذیه بسیاری از ویژگی‌های خوب طبقه ورودی دوقطبی ساده، برای مثال: نویز ولتاژ کم، آفست کم، و رانش کم را دارند. علاوه براین، آنها جریان تغذیه کمی دارند که با دما نسبتا پایدار است. بااین‌حال، نویز جریان آنها خیلی خوب نیست، و تطبیق جریان تغذیه آنها ضعیف است.

این دو اثر جانبی نامطلوب اخیر آنها منجر به جریان تغذیه خارجی می‌شوند که اختلاف بین منبع جریان جبران‌ و جریان بیس ترانزیستور ورودی است. هر دو این جریان‌ها حتما نویز دارند. از آنجایی‌که این جریان‌ها هم‌بستگی ندارند، دو نویز بصورت یک ریشه مجموع مربعات جمع می‌شوند (حتی اگر جریان‌های مستقیم (DC) کم شوند).

از آنجایی‌که جریان تغذیه خارجی حاصل اختلاف دو جریان تقریبا برابر است، هیچ دلیلی وجود ندارد که جریان خالص باید قطبیت مشخص داشته باشد. در نتیجه، ممکن است جریان‌های تغذیه یک آپ امپ با تغذیه جبران‌شده نه تنها تطابق نداشته باشند، بلکه در واقع می‌توانند در جهت‌های مخالف جریان ‌داشته باشند! در اکثر کاربردها این موضوع مهم نیست، اما در برخی می‌تواند اثرات ناخواسته داشته باشد (برای مثال افت یک نمونه‌بردار و نگهدارنده ساخته شده با آپ امپ با تغذیه جبران‌شده ممکن است دارای دو قطب باشد).

در بسیاری از موارد، ویژگی جبران‌سازی جریان تغذیه در دیتاشیت آپ امپ بیان نمی‌شود، و یک شماتیک ساده‌ ارایه نمی‌شود. با بررسی مشخصه جریان تغذیه، تعیین جبران‌سازی جریان تغذیه مورداستفاده آسان است. اگر جریان تغذیه بصورت یک مقدار «±» مشخص شود، به احتمال زیاد آپ امپ برای جریان تغذیه جبران می‌شود. لازم بذکر است که این جبران‌ می‌تواند به آسانی با بررسی مشخصه جریان آفست (تفاوت در جریان‌های تغذیه) تایید شود. اگر جبران‌ جریان تغذیه داخلی وجود داشته باشد، جریان آفست هم اندازه جریان بایاس خواهدبود. بدون جبران جریان، بطورکلی جریان آفست حداقل 10 برابرکوچک‌تر از جریان بایاس است. لازم بذکر است که این روابط صرف‌نظر از میزان دقیق جریان‌های تغذیه معمولا برقرار هستند.

همان‌طورکه پیش از این بیان شد، طبقه‌های ورودی ریل تا ریل جریان‌های تغذیه‌ای دارند که با عبور ولتاژ حالت مشترک از ناحیه گذار تغییر جهت می‌دهند. علی الخصوص، برخلاف سهولت، دادن یک مقدار مثبت یا منفی حداکثر، تعیین جریان‌های تغذیه و آفست برای این قطعات دشوار است.

حذف اثرات جریان تغذیه (خارجی به آپ امپ)

هنگامی‌که جریان‌های تغذیه یک آپ امپ بخوبی منطبق هستند ( همان‌طورکه پیش‌تر بیان شد، این مورد با آپ‌امپ‌های طبقه ورودی دوقطبی ساده تحقق می یابد، اما نه با آپ امپ‌های جبران‌شده تغذیه داخلی)، یک مقاومت جبران تغذیه، R3، (R3=R1||R2) افت ولتاژی را در ورودی غیرمعکوس‌کننده برای تطابق ایجاد می‌کند و درنتیجه این افت را در ترکیب موازی R1 و R2 در ورودی معکوس‌کننده جبران می‌کند. این امر خطای ولتاژ آفست اضافی را همانطورکه در شکل 3 نشان داده شده است، به حداقل می‌رساند. توجه داشته باشید که اگر R3 بیش‌تر از 1 کیلواهم باشد، باید برای جلوگیری از دربرگیری نویز با یک خازن کنارگذر موازی شود تا مسیری کم امپدانس را ایجاد کند. همچنین، توجه داشته باشید این روش حذف تغذیه در جایی‌که جریان‌های تغذیه بخوبی منطبق نیستند، بی‌فایده است و در حقیقت اوضاع را بدتر خواهد کرد.

اندازه‌گیری جریان آفست ورودی و تغذیه ورودی

جریان تغذیه ورودی (یا ولتاژ آفست ورودی) ممکن است با استفاده از مدار آزمایشی شکل 4 اندازه‌گیری شود. برای اندازه‌گیری I_B، یک مقاومت بزرگ، R_s، بصورت سری با ورودی تحت آزمایش وارد شده، و یک ولتاژ آفست اضافی ظاهری برابر با R_s ×I_Bایجاد می‌کند. اگر VOSمقدار حقیقی قبلا اندازه‌گیری و ثبت شده باشد، تغییر در VOS ظاهری به دلیل تغییر در R_s می‌تواند تعیین شود، و سپس I_B به آسانی محاسبه می‌شود. این امر مقدار +I_B و –I_B را به بار می‌آورد. مقدار نامی I_B میانگین این دو جریان است. مقادیر R_sمفید معمول از 100 کیلواهم برای آپ امپ‌های دوقطبی تا 1000 مگااهم برای برخی قطعات ورودی اثرمیدان تغییر می‌کنند.

جریان‌های تغذیه ورودی بسیار کم باید با روش‌های انتگرال‌گیری اندازه‌گیری شوند. جریان تغذیه مورد بحث برای شارژ یک خازن بکاربرده می‌شود، و نرخ تغییر ولتاژ اندازه‌گیری می‌شود. اگر خازن و نشتی مدار کلی ناچیز باشد (این امر برای جریان‌های زیر 10 فتموآمپر دشوار است)، این جریان ممکن است بطور مستقیم از نرخ تغییر خروجی مدار آزمایش محاسبه شود. شکل 5 مفهوم کلی را نشان می‌دهد. با یک کلید باز و کلید دیگر بسته، +I_B یا –I_B اندازه‌گیری می‌شود.