應(yīng)用工程師提問(wèn)：電流反饋放大器II

第一部分（模擬對(duì)話30-3）介紹電流反饋（CF）運(yùn)算放大器的基本工作原理。第二部分解決有關(guān)常見(jiàn)應(yīng)用程序的常見(jiàn)問(wèn)題。

Q.我現(xiàn)在對(duì)電流反饋運(yùn)算放大器的工作原理有了更好的了解，但在電路中應(yīng)用電流反饋運(yùn)算放大器時(shí)，我仍然感到困惑。低反相輸入阻抗是否意味著我無(wú)法使用反相增益配置？

A. 請(qǐng)記住，反相工作模式的工作原理是在反相輸入端產(chǎn)生的低阻抗節(jié)點(diǎn)。電壓反饋（VF）放大器的求和結(jié)的特點(diǎn)是反饋環(huán)路建立后輸入阻抗較低。事實(shí)上，電流反饋運(yùn)算放大器在反相配置中工作得非常好，因?yàn)樗逃械牡头聪噍斎胱杩?，即使在反饋環(huán)路建立之前，求和節(jié)點(diǎn)也能保持在“地”。CF類型沒(méi)有高速應(yīng)用中電壓反饋型運(yùn)算放大器求和節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)的電壓尖峰。您可能還記得，反相配置的優(yōu)點(diǎn)包括最大化輸入壓擺率和減少熱建立誤差。

Q.這意味著我可以使用電流反饋運(yùn)算放大器作為電流-電壓轉(zhuǎn)換器，對(duì)嗎？

A.是的，它們可以配置為I-V轉(zhuǎn)換器。但也存在局限性：放大器的帶寬與反饋電阻值直接變化，反相輸入電流噪聲往往相當(dāng)高。放大低電平電流時(shí)，較高的反饋電阻意味著較高的信噪比，因?yàn)?a target="_blank">信號(hào)增益將成比例增加，而電阻噪聲為√R。反饋電阻加倍會(huì)使信號(hào)增益加倍，電阻噪聲僅增加1.4倍;遺憾的是，電流噪聲的貢獻(xiàn)增加了一倍，并且使用電流反饋運(yùn)算放大器時(shí)，信號(hào)帶寬減少了一半。因此，CF運(yùn)算放大器的較高電流噪聲可能妨礙它們?cè)谠S多光電二極管類型的應(yīng)用中使用。當(dāng)噪聲不太重要時(shí)，根據(jù)帶寬要求選擇反饋電阻;使用第二級(jí)來(lái)增加增益。

Q.我確實(shí)注意到電流反饋放大器中的電流噪聲相當(dāng)高。那么這會(huì)限制我可以使用它們的應(yīng)用程序嗎？

A.是的，CF運(yùn)算放大器的反相輸入電流噪聲往往更高，約為20至30 pA/√Hz。然而，與類似的電壓反饋器件相比，輸入電壓噪聲往往相當(dāng)?shù)停ǔＰ∮? nV/√Hz，反饋電阻也很低，通常低于1 koms。增益為1時(shí)，主要噪聲源是流過(guò)反饋電阻的反相輸入噪聲電流。輸入噪聲電流為 20 pA/√Hz，且RF的 750 Ω產(chǎn)生 15 nV/√Hz 作為輸出端的主要噪聲源。但隨著電路增益的增加（通過(guò)降低輸入電阻），輸入電流噪聲引起的輸出噪聲不會(huì)增加，放大器的輸入電壓噪聲將成為主導(dǎo)因素。增益為10時(shí)，當(dāng)參考輸入時(shí)，輸入噪聲電流的貢獻(xiàn)僅為1.5 nV/√Hz;以RSS方式加上放大器的輸入電壓噪聲，折合到輸入端的噪聲電壓僅為2.5 nV/√Hz（忽略電阻噪聲）。因此，CF運(yùn)算放大器對(duì)于低噪聲應(yīng)用具有吸引力。

Q.使用經(jīng)典的四電阻差分配置怎么樣？?jī)蓚€(gè)輸入不是不平衡的，因此不適合這種類型的電路嗎？

A.我很高興你問(wèn);這是對(duì)CF運(yùn)算放大器的常見(jiàn)誤解。誠(chéng)然，輸入不匹配，但理想差動(dòng)放大器的傳遞函數(shù)仍然相同。不平衡的輸入呢？在較低頻率下，四電阻差分放大器的CMR受到外部電阻比匹配的限制，0.1%匹配產(chǎn)生約66 dB。在較高頻率下，重要的是輸入阻抗形成的時(shí)間常數(shù)的匹配。高速電壓反饋運(yùn)算放大器通常具有相當(dāng)匹配的輸入電容，在60 MHz時(shí)可實(shí)現(xiàn)約1 dB的CMR。由于CF放大器的輸入級(jí)不平衡，電容可能不匹配。這意味著必須在某些放大器的同相輸入端使用小型外部電阻（100至200歐姆），以最大程度地減少時(shí)間常數(shù)的不匹配。如果仔細(xì)注意電阻選擇，CF運(yùn)算放大器可以產(chǎn)生與VF運(yùn)算放大器相當(dāng)?shù)母哳lCMR。VF和CF放大器都可以進(jìn)一步受益于額外的手動(dòng)調(diào)整電容，但代價(jià)是信號(hào)帶寬。如果需要更高的性能，最佳選擇是單芯片高速差動(dòng)放大器，例如AD830。無(wú)需電阻匹配，CMR > 75 MHz 時(shí)為 1 dB，53 MHz 時(shí)約為 10 dB。

Q.如何用反饋電容調(diào)整放大器的帶寬？反相輸入端的低阻抗是否會(huì)降低電流反饋運(yùn)算放大器對(duì)該節(jié)點(diǎn)的分流電容的敏感度？容性負(fù)載怎么樣？

A.首先考慮反饋路徑中的電容。使用電壓反饋運(yùn)算放大器時(shí)，噪聲增益中產(chǎn)生一個(gè)極點(diǎn)，但在電流反饋運(yùn)算放大器的反饋跨電阻中產(chǎn)生一個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)，如下圖所示。請(qǐng)記住，反饋跨電阻和開(kāi)環(huán)跨阻交叉處的相位裕量將決定閉環(huán)穩(wěn)定性。電容的反饋跨阻，CF，與RF，由

極點(diǎn)出現(xiàn)在 1/2πRFCF，并且零點(diǎn)在 1/[2π（RF||RG||RO)CF].如果交集ZF和Z老發(fā)生頻率過(guò)高，失穩(wěn)可能因開(kāi)環(huán)相移過(guò)大而造成。如果RF→∞，就像積分器電路一樣，極點(diǎn)出現(xiàn)在低頻處，而在較高頻率下幾乎沒(méi)有電阻來(lái)限制環(huán)路增益。CF積分器可以通過(guò)與積分電容串聯(lián)的電阻來(lái)穩(wěn)定，以限制較高頻率下的環(huán)路增益。使用無(wú)功反饋的濾波器拓?fù)洌ɡ缍喾N反饋類型）不適用于CF運(yùn)算放大器;但是，將運(yùn)算放大器用作固定增益模塊的Sallen-Key濾波器是可行的。通常，不希望在兩端增加電容RF的 CF 運(yùn)算放大器。

另一個(gè)需要考慮的問(wèn)題是反相輸入端并聯(lián)電容的影響?；叵胍幌?，使用電壓反饋放大器時(shí)，這種電容會(huì)在噪聲增益中產(chǎn)生零，從而增加噪聲增益和開(kāi)環(huán)增益之間的閉合速率，從而產(chǎn)生過(guò)多的相移，如果不進(jìn)行補(bǔ)償，可能會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定。電流反饋運(yùn)算放大器也會(huì)產(chǎn)生同樣的效果，但問(wèn)題可能不太明顯。通過(guò)添加 C 編寫反饋跨電阻的表達(dá)式在:

零出現(xiàn)在 1/[2π（RF||RG||RO)C在]，如下圖所示 （fZ1).該零點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致與VF放大器相同的麻煩，但由于反相輸入端固有的低輸入阻抗，零點(diǎn)的轉(zhuǎn)折頻率頻率往往更高?？紤]一款寬帶電壓反饋運(yùn)算放大器，該運(yùn)算放大器具有RF= 750歐姆，RG= 750 歐姆，并且C在= 10 pF。零出現(xiàn)在 1/[2π（RF||RG)C在]，大約 40 MHz，而電流反饋運(yùn)算放大器采用相同配置，具有RO的 40 Ω 會(huì)將零點(diǎn)推出約 400 MHz。 假設(shè)兩個(gè)放大器的單位增益帶寬均為500 MHz，則VF放大器將需要反饋電容進(jìn)行補(bǔ)償，從而降低C在，但也降低了信號(hào)帶寬。CF器件肯定會(huì)從零點(diǎn)看到一些額外的相移，但不會(huì)那么多，因?yàn)閿帱c(diǎn)的頻率要高出十年。信號(hào)帶寬會(huì)更大，只有在需要帶內(nèi)平坦度或最佳脈沖響應(yīng)時(shí)才需要補(bǔ)償。可以通過(guò)并聯(lián)一個(gè)小電容器來(lái)調(diào)整響應(yīng)RF以降低關(guān)閉速率ZF和Z老.為確保至少45°的相位裕量，應(yīng)選擇反饋電容在反饋跨阻中放置一個(gè)極點(diǎn)，其中ZF和 ZOL發(fā)生，如下所示 （fP).不要忘記由于反饋電容（fZ2).

負(fù)載電容與電壓反饋放大器存在相同的問(wèn)題：誤差信號(hào)的相移增加，導(dǎo)致相位裕量下降和可能的不穩(wěn)定。有幾種有據(jù)可查的電路技術(shù)用于處理容性負(fù)載，但高速放大器最常用的是與放大器輸出串聯(lián)的電阻（如下所示）。當(dāng)電阻在反饋環(huán)路之外，但與負(fù)載電容串聯(lián)時(shí)，放大器不會(huì)直接驅(qū)動(dòng)純?nèi)菪载?fù)載。CF運(yùn)算放大器還提供增加R的選項(xiàng)F以降低環(huán)路增益。無(wú)論采用哪種方法，帶寬、壓擺率和建立時(shí)間都會(huì)受到損失。最好根據(jù)所需的特性對(duì)特定的放大器電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，例如，最快的上升時(shí)間、最快建立到指定精度、最小過(guò)沖或通帶平坦度。

Q.為什么您的任何電流反饋放大器都不能提供真正的單電源供電，允許信號(hào)擺幅到一個(gè)或兩個(gè)電源軌？

A.由于多種原因，這是VF拓?fù)淙匀皇艿角嗖A的一個(gè)領(lǐng)域。設(shè)計(jì)用于提供良好電流驅(qū)動(dòng)和擺幅接近供電軌的放大器通常使用共發(fā)射極輸出級(jí)，而不是通常的發(fā)射極跟隨器。共發(fā)射極允許輸出擺動(dòng)至電源軌減去輸出晶體管的V行政長(zhǎng)官飽和電壓。在給定的制造工藝中，這種類型的輸出級(jí)不能提供與發(fā)射極跟隨器一樣快的速度，部分原因是電路復(fù)雜性增加和固有的輸出阻抗更高。由于CF運(yùn)算放大器專為最高速度和輸出電流而開(kāi)發(fā)，因此具有發(fā)射極跟隨器輸出級(jí)。

采用更高速的工藝，例如ADI公司的XFCB（超快速互補(bǔ)雙極性），可以設(shè)計(jì)一個(gè)帶寬為160 MHz、壓擺率為160 V/μs的共發(fā)射極輸出級(jí)，由5 V單電源供電（AD8041）。放大器使用電壓反饋，但即使以某種方式使用了電流反饋，速度仍然會(huì)受到輸出級(jí)的限制。其他具有發(fā)射極-跟隨器輸出級(jí)（VF或CF）的XFCB放大器比AD8041快得多。此外，單電源輸入級(jí)使用 PNP 差分對(duì)，允許共模輸入范圍向下擴(kuò)展至較低的電源軌（通常為地）。為CF設(shè)計(jì)這樣一個(gè)輸入階段是一個(gè)重大挑戰(zhàn)，在撰寫本文時(shí)尚未遇到。

不過(guò)，CF運(yùn)算放大器也可用于單電源應(yīng)用。ADI公司提供許多額定工作電壓為+5V甚至+3V的放大器。必須記住的是，如果應(yīng)用保持在允許的輸入和輸出電壓范圍內(nèi)，則器件在采用單電源時(shí)工作良好。這需要電平轉(zhuǎn)換或交流耦合，并偏置到適當(dāng)?shù)姆秶?，但這已經(jīng)是大多數(shù)單電源系統(tǒng)的要求。如果系統(tǒng)必須工作在一個(gè)或兩個(gè)電源軌上，或者交流耦合應(yīng)用中需要最大的裕量，則電流反饋運(yùn)算放大器可能根本不是最佳選擇。另一個(gè)因素是驅(qū)動(dòng)重負(fù)載時(shí)的軌到軌輸出擺幅規(guī)格。許多所謂的軌到軌部件在驅(qū)動(dòng)后端接的 50 或 75 Ω電纜時(shí)甚至不接近軌，因?yàn)?V 的增加中國(guó)經(jīng)社衛(wèi)星隨著輸出電流的增加。如果您確實(shí)需要真正的軌到軌性能，則不需要或不需要電流反饋運(yùn)算放大器;如果您需要最高的速度和輸出電流，這就是CF運(yùn)算放大器的優(yōu)勢(shì)所在。

審核編輯：郭婷