電流反饋放大器I的基本原理與應用

問。我不確定我理解電流反饋放大器與常規(guī)運算放大器相比如何工作。我聽說無論增益如何，它們的帶寬都是恒定的。這是如何運作的？它們是否與跨阻抗放大器相同？

A。在查看任何電路之前，我們先定義電壓反饋，電流反饋和跨阻抗放大器。顧名思義，電壓反饋是指閉環(huán)配置，其中誤差信號是電壓形式。傳統(tǒng)運算放大器使用電壓反饋，即它們的輸入將響應電壓變化并產(chǎn)生相應的輸出電壓。 電流反饋是指任何閉環(huán)配置，其中用于反饋的誤差信號是電流形式。電流反饋運算放大器響應其輸入端之一的誤差電流而不是誤差電壓，并產(chǎn)生相應的輸出電壓。請注意，兩個開環(huán)架構(gòu)都實現(xiàn)了相同的閉環(huán)結(jié)果：零差分輸入電壓和零輸入電流。理想的電壓反饋放大器具有高阻抗輸入，從而產(chǎn)生零輸入電流，并使用電壓反饋來維持零輸入電壓。相反，電流反饋運算放大器具有低阻抗輸入，導致零輸入電壓，并使用電流反饋來維持零輸入電流。

跨阻抗放大器的傳遞函數(shù)表示為相對于電流輸入的電壓輸出。正如函數(shù)所暗示的那樣，開環(huán)“增益”，v O / i IN ，以歐姆表示。因此，電流反饋運算放大器可稱為跨阻抗 放大器。值得注意的是，電壓反饋運算放大器電路的閉環(huán)關系也可以通過用電流驅(qū)動其動態(tài)低阻抗求和節(jié)點（例如，來自光電二極管）來配置為跨阻抗），從而產(chǎn)生等于輸入電流乘以反饋電阻的電壓輸出。更有趣的是，由于理想情況下任何運算放大器應用都可以通過電壓或電流反饋實現(xiàn)，因此可以使用電流反饋運算放大器實現(xiàn)相同的I-V轉(zhuǎn)換器。當使用術語跨阻抗放大器時，要了解特定電流反饋運算放大器架構(gòu)與任何像跨阻抗一樣的閉環(huán)IV轉(zhuǎn)換器電路之間的區(qū)別。

讓我們來看看看一下電壓反饋放大器的簡化模型。同相增益配置通過開環(huán)增益 A（s）和饋電放大差分電壓（V IN + - V IN - ）輸出的一部分通過分壓器返回到反相輸入，該分壓器由 R F 和 R G 組成。為了得到該電路的閉環(huán)傳遞函數(shù)， V o / V IN + ，假設沒有電流流入運算放大器（無限大）輸入阻抗）;兩個輸入將處于大約相同的電位（負反饋和高開環(huán)增益））。

使用

和

替換并簡化以獲?。?/p>

已關閉-loop帶寬是環(huán)路增益LG的幅度下降到單位（0 dB）的頻率。術語1 + R F / R G 稱為電路的噪聲增益;對于同相情況，它也是信號增益。在圖形上，閉環(huán)帶寬位于開環(huán)增益 A（s）與Bodé圖中噪聲增益NG的交點處。高噪聲增益將降低環(huán)路增益，從而降低閉環(huán)帶寬。如果 A（s）以20 dB /十倍頻率滾降，則放大器的增益帶寬積將保持不變。因此，閉環(huán)增益增加20 dB將使閉環(huán)帶寬減少十年。

現(xiàn)在考慮電流反饋放大器的簡化模型。同相輸入是單位增益緩沖器的高阻抗輸入，反相輸入是其低阻抗輸出端子。緩沖器允許誤差電流流入或流出反相輸入，單位增益迫使反相輸入跟蹤同相輸入。誤差電流鏡像到高阻抗節(jié)點，在此節(jié)點將其轉(zhuǎn)換為電壓并在輸出端進行緩沖。高阻抗節(jié)點是與頻率相關的阻抗， Z（s），類似于電壓反饋放大器的開環(huán)增益;它具有高直流值并以20 dB /十倍頻率下降。

通過對V IN 節(jié)點處的電流求和，找到閉環(huán)傳遞函數(shù)，而緩沖器保持V IN + = V IN 。如果我們暫時假設緩沖器具有零輸出電阻，則R o = 0

替換并求解V o < / sub> / V IN +

電流反饋放大器的閉環(huán)傳遞函數(shù)與電壓反饋放大器相同，但環(huán)路增益（ 1 / LG）表達現(xiàn)在僅取決于R F ，反饋跨阻 - 而不是（1 + R F / R G ）。因此，電流反饋放大器的閉環(huán)帶寬將隨RF的值而變化，但不隨噪聲增益而變化，1 + R F / R G 。 R F 和 Z（s）的交點確定環(huán)路增益，從而確定電路的閉環(huán)帶寬（參見Bodé圖）。顯然，增益帶寬積不是恒定的 - 這是電流反饋的優(yōu)勢。

實際上，輸入緩沖器的非理想輸出電阻通常約為20到40歐姆，這將改變反饋互阻。兩個輸入電壓不會完全相等。用 V IN = V IN + 代替前面的等式 - I err R o < / em>，求解 V o / V IN + yield：

反饋互阻的附加項意味著環(huán)路增益實際上在某種程度上取決于電路的閉環(huán)增益。在低增益時，R F 占主導地位，但在較高增益時，第二項將增加并減小環(huán)路增益，從而降低閉環(huán)帶寬。

應該很清楚在R G 打開時（如在電壓跟隨器中）將輸出短路回到反相輸入將強制環(huán)路增益變得非常大。使用電壓反饋放大器時，在反饋整個輸出電壓時會發(fā)生最大反饋，但電流反饋的限制是短路電流。電阻越低，電流越高。在圖形上，R F = 0將在高階極點區(qū)域給出 Z（s）和反饋跨阻抗的更高頻率交點。與電壓反饋放大器一樣， Z（s）的高階極點將在更高頻率下引起更大的相移，導致相移> 180度時的不穩(wěn)定性。由于R F 的最佳值將隨閉環(huán)增益而變化，因此波特圖可用于確定各種增益的帶寬和相位裕度?？梢砸暂^低的相位裕度為代價獲得較高的閉環(huán)帶寬，從而導致頻域中的峰值，以及時域中的過沖和振鈴。電流反饋器件數(shù)據(jù)手冊將列出各種增益設置的R F 的特定最佳值。

電流反饋放大器具有出色的擺率功能。雖然可以設計具有高壓擺率的電壓反饋放大器，但電流反饋架構(gòu)固有地更快。輕負載的傳統(tǒng)電壓反饋放大器的壓擺率受限于可用于對內(nèi)部補償電容進行充電和放電的電流。當輸入經(jīng)受大瞬態(tài)時，輸入級將飽和，并且只有其尾電流可用于對補償節(jié)點充電或放電。通過電流反饋放大器，低阻抗輸入允許更高的瞬態(tài)電流根據(jù)需要流入放大器。內(nèi)部電流鏡將此輸入電流傳送到補償節(jié)點，從理論上講，允許快速充電和放電，與輸入步長成比例。更快的壓擺率將導致更快的上升時間，更低的壓擺引起的失真和非線性，以及更寬的大信號頻率響應。實際壓擺率將受到電流鏡飽和的限制，可能出現(xiàn)在10到15 mA之間，以及輸入和輸出緩沖器的壓擺率限制。

問。直流精度怎么樣？

A.電流反饋放大器的直流增益精度可以通過其傳遞函數(shù)計算，就像電壓反饋放大器一樣;它本質(zhì)上是內(nèi)部跨阻抗與反饋跨阻抗的比率。使用1兆歐的典型跨阻，1k歐姆的反饋電阻和40歐姆的R o ，單位增益的增益誤差約為0.1％。在更高的收益，它會顯著降低。電流反饋放大器很少用于高增益，特別是在需要絕對增益精度時。

然而，對于許多應用，建立特性比增益精度更重要。雖然電流反饋放大器具有非?？斓纳仙龝r間，但由于熱沉降尾部，許多數(shù)據(jù)表僅顯示0.1％的建立時間 - 這是導致建立精度不足的主要原因?？紤]上面的互補輸入緩沖器，其中V IN 端子從V IN + 端子偏移Q1和之間的V BE 的差值。 Q3。當輸入為零時，應匹配兩個V BEs ，并且從V IN + 到V IN 的偏移量將很小。應用于V IN + 的正階躍輸入將導致Q3的V CE 減小，從而降低其功耗，從而增加其V BE 。二極管連接的Q1沒有表現(xiàn)出V CE 變化，因此其V BE 不會改變。現(xiàn)在兩個輸入之間存在不同的偏移，降低了精度。在電流鏡中可能會出現(xiàn)相同的效果，其中高阻抗節(jié)點的階躍變化會改變V CE ，從而改變Q6的V BE ，但不會Q5。 V BE 的變化導致當前錯誤返回 V IN - ，乘以R F - 會導致輸出偏移誤差。每個晶體管的功耗發(fā)生在太小而不能實現(xiàn)器件之間的熱耦合的區(qū)域中。在反相配置中使用放大器的應用中，可以減少輸入級的熱誤差，從而消除共模輸入電壓。

問。在什么條件下熱尾有問題？

A。這取決于涉及的頻率和波形。熱尾不會瞬間發(fā)生;晶體管的熱系數(shù)（取決于工藝）將決定溫度變化發(fā)生的時間并改變參數(shù)，然后恢復。例如，在ADI公司的高速互補雙極（CB）工藝上制造的放大器，對于幾kHz以上的輸入頻率，不會出現(xiàn)明顯的熱尾，因為輸入信號變化太快。通信系統(tǒng)通常更關注頻譜性能，因此熱尾部可能引入的額外增益誤差并不重要。當直流電平變化時，熱尾部會對步進波形（例如成像應用中的步進波形）產(chǎn)生不利影響。對于這些應用，電流反饋放大器可能無法提供足夠的建立精度。

第II部分將考慮使用電流反饋放大器的常見應用電路，并更詳細地查看其操作。 < / p>