電流反饋運(yùn)放大器工作原理問與答

問：與普通運(yùn)放相比，我不太明白電流反饋運(yùn)放如何工作?我聽說電流反饋運(yùn)放帶寬恒定，不隨增益變化而改變，那是怎么實(shí)現(xiàn)的?它與互阻放大器是否一樣?

答：在考察電路之前，我們先給電壓反饋運(yùn)放(VFA)、電流反饋運(yùn)放(CFA)和互阻放大器這三個(gè)概念下定義。顧名思義，電壓反饋是指一種誤差信號為電壓形式的閉環(huán)結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)運(yùn)放都用電壓反饋，即它們的輸入對電壓變化有響應(yīng)，從而產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的輸出電壓。電流反饋是指用作反饋的誤差信號為電流形式的閉環(huán)結(jié)構(gòu)。CFA其中一個(gè)輸入端對誤差電流有響應(yīng)，而不是對誤差電壓有響應(yīng)，最后產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電壓。應(yīng)該注意的是兩種運(yùn)放的開環(huán)結(jié)構(gòu)具有相同的閉環(huán)結(jié)果：差動(dòng)輸入電壓為0，輸入電流為0。理想的電壓反饋運(yùn)放有兩個(gè)高阻抗輸入端，從而使輸入電流為0，用電壓反饋來保持輸入電壓為0。相反，CFA有一個(gè)低阻抗輸入端，從而使輸入電壓為0，用電流反饋來保持輸入電流為0?；プ璺糯笃鞯膫鬟f函數(shù)表示為輸出電壓對輸入電流之比，從而表明開環(huán)增益Vo/Iin用歐姆(Ω)表示。因此，CFA可稱作互阻放大器。有趣的是，利用VFA閉環(huán)結(jié)構(gòu)也可構(gòu)成互阻特性，只要用電流(如來自光電二極管的電流)驅(qū)動(dòng)低阻求和節(jié)點(diǎn)，就可產(chǎn)生一個(gè)電壓輸出，其輸出電壓等于輸入電流與反饋電阻的乘積。更有趣的是，既然理想情況下，任何一個(gè)運(yùn)放應(yīng)用電路都可以用電壓反饋或電流反饋來實(shí)現(xiàn)，那么用電流反饋也能實(shí)現(xiàn)上面的IV變換。所以在用互阻放大器這一概念時(shí)，要理解電流反饋運(yùn)放與普通運(yùn)放閉環(huán)IV變換電路之間的差別，因?yàn)楹笳咭部杀憩F(xiàn)出類似的互阻特性先看VFA的簡化模型(見圖1)，同相增益放大器電路以開環(huán)增益A(s)放大同相放大原理圖

波特圖圖1

VFA的簡化模型差模電壓(V IN+ -V IN- )，通過RF和RG構(gòu)成的分壓電路把輸出電壓的一部分反饋到反相輸入端。為推導(dǎo)出該電路的閉環(huán)傳遞函數(shù)VO/V IN+ ，假設(shè)流入運(yùn)放輸入端的電流為0(輸入阻抗無窮大)；兩個(gè)輸入端民位近似相等(接成負(fù)反饋且開環(huán)增益很高)。這樣可得：
VO=(V IN+ -V IN- )A(s)，
V IN- =RGRG+RFVO
代入并整理得
VOV IN+ =(1+RFRG)1
1+1/LG， 其中LG=A(s)1+RF/RG
閉環(huán)帶寬是指環(huán)路增益(LG)下降到1(0dB)時(shí)的頻率。1+RF/RG這項(xiàng)稱為電路的噪聲增益
；對同相放大電路，它也是信號增益。從波特圖上可以發(fā)現(xiàn)，電路的閉環(huán)帶寬為開環(huán)增益A(
s)與噪聲增益NG的交點(diǎn)。噪聲增益增高使環(huán)路增益降低，從而使閉環(huán)帶寬減小。如果A(s)
以20dB/10倍頻程下降，那么放大器的增益帶寬積就為常數(shù)，即閉環(huán)增益每增加20dB，相應(yīng)
地閉環(huán)帶寬降低10倍頻。

現(xiàn)在考慮CFA的簡化模型，如圖2所示。同相輸入端是單位增益緩沖器的高阻輸入端，反相輸入端是單位增益緩沖器的低阻輸出端。緩沖器允許誤差電流流入或流出反相輸入端，且單位增益使反相輸入跟隨同相輸入。誤差電流反映高阻節(jié)點(diǎn)，將誤差電流轉(zhuǎn)換成電壓，經(jīng)緩沖后輸出。高阻節(jié)點(diǎn)阻抗Z(s)與頻率相關(guān)，它與VFA的開環(huán)增益類似，直流值很高，并以20dB/10倍頻程下降。

同相放大原理圖 波特圖

圖2 CFA的簡化模型

當(dāng)緩沖器保持V IN+ =V IN- 時(shí)，通過對V IN- 節(jié)點(diǎn)處的電流求和可得到閉環(huán)
傳遞函數(shù)。假設(shè)緩沖器輸出電阻為0，即RO=0，
VO-V IN- RF
+-V IN- RG+I ERR =0 且I ERR =VOZ(s
)
代入求解得：
VOV IN+ =(1+RFRG)1
1+1/LG，其中LG=A(s)1+RF/RG
雖然CFA閉環(huán)傳遞函數(shù)與V
FA一樣，但CFA環(huán)路增益(1/LG)僅取決于反饋電阻RF，而不是(1+RF/RG)，這樣CFA的
閉
環(huán)帶寬將隨RF的阻值改變而改變，而不是隨噪聲增益(1+RF/RG)的變化而變化。從波特圖上可以看出，RF與Z(s)的交點(diǎn)決定環(huán)路增益大小，由此決定電路的閉環(huán)帶寬f CL 。很顯然，CFA的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是增益帶寬積不為常數(shù)。實(shí)際上，CFA的輸入緩沖器的輸出電阻RO并不是理想的，一般為20至40Ω。這個(gè)電阻的存改變了反饋電阻的大小。兩個(gè)輸入端電壓不完全相等，把V IN- =V IN+ -IERR RO代入前面式子。求解VO/V IN+ 得

VOV IN+ =(1+RFRG)1
1+1/LG，
其中LG=Z(s)RF-RO(1+RF/RG)
反饋電阻中的附加項(xiàng)意味著環(huán)路增益實(shí)際在一定程度上依賴于電路的閉環(huán)增益。當(dāng)閉環(huán)增益較低時(shí)，RF起主要作用；當(dāng)閉環(huán)增益較高時(shí)，第二項(xiàng)RO(1+RF/RG)增加，環(huán)路增益降低，由此閉環(huán)帶寬減小。

應(yīng)該說清楚的是，如果RG斷開，輸出端短接到反相輸入端(像電壓跟隨器那樣)，會使環(huán)路
增益非常大。對VFA而言，如果把整個(gè)輸出電壓都反饋回輸入端，會使反饋達(dá)到最大。而電流反饋的最大值受短路電流的限制。反饋電阻越小，反饋電流越大。從圖2可以看出，當(dāng)RF=
0時(shí)，Z(s)與反饋電阻交點(diǎn)的頻率很高，在高階極點(diǎn)區(qū)域內(nèi)。對于CFA來說，Z(s)的高階極點(diǎn)
會造成高頻相移增大，當(dāng)相移大于180°時(shí)，導(dǎo)致電阻不穩(wěn)定。因?yàn)镽F的最佳值隨閉環(huán)增
益改變而改變，所以在確定不同增益情況下的帶寬和相位裕度時(shí)，波特圖很有用。減少相位
裕度，增大閉環(huán)帶寬，但這會在該頻域內(nèi)出現(xiàn)尖峰，在時(shí)域內(nèi)出現(xiàn)過沖與阻尼振蕩。電流饋
器件的產(chǎn)品說明上會給出不同增益時(shí)RF的最佳值。

CFA具有優(yōu)異的壓擺率特性。盡管設(shè)計(jì)出高壓擺率的VFA是可能的，但從內(nèi)在固有特性來說，
CFA的壓擺率更快。傳統(tǒng)的VFA，在輕負(fù)載時(shí)，壓擺率受到內(nèi)部被償電容的充放電電流的限制
。在輸入大瞬態(tài)信號時(shí)，使輸入級飽和，僅其長尾電路電流對補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)進(jìn)行充電或放電。對
CFA，低輸入阻抗允許大瞬態(tài)電流按需要流入放大器，內(nèi)部電流鏡把此輸入電流傳輸?shù)窖a(bǔ)償
節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)快速充放電。理論上它和輸入階躍信號的大小成比例。壓擺率增高使上升時(shí)間變
快，壓擺率引起的失真和線性誤差減小，大信號頻率響應(yīng)變寬。實(shí)際上，壓擺率受電流鏡飽
和電流(10~15mA)的限制，以及輸入和輸出緩沖器壓擺率的限制。

問：CFA的直流精度怎樣?

答：正像使用VFA一樣，CFA的直流增益精度可以從它的傳遞函數(shù)算出，基本上
是其內(nèi)部互阻抗與反饋電阻之比。典型情況下，內(nèi)部互阻抗為1MΩ，反饋電阻為1kΩ，RO
為40Ω，那么單位增益的增益誤差約01%。增益較高時(shí)，增益誤差顯著增大。CFA很少用于
高增益場合，尤其是當(dāng)要求增益絕對準(zhǔn)確時(shí)。

在許多應(yīng)用中，建立時(shí)間仍然比增益精度重要。盡管CFA具有很快的上升時(shí)間，但由于建立
時(shí)間的熱拖尾現(xiàn)象(thermal settling tails)是一種影響建立時(shí)間精度的主要因素，所以許多CFA產(chǎn)品說明僅給出達(dá)到01%精度的建立時(shí)間?，F(xiàn)在考慮圖3所示互補(bǔ)輸入緩沖V IN+
端與V IN- 端之間的失調(diào)電壓為Q1的V BE 電壓和Q3的V BE 電壓之差。當(dāng)輸入為0時(shí)，兩個(gè)V BE 電壓應(yīng)當(dāng)匹配，V IN+ 與V IN- 之間的失調(diào)很小。給VIN+ 加一個(gè)正向階躍輸入信號，這會降低Q3上的V BE 電壓，減少其功耗，從而增大Q3的V BE 值。連接成二極管形式的Q1上電壓V CE 沒有變化，因此其V BE 也不變。兩個(gè)輸入端具有不同的失調(diào)電壓，那么會降低其精度。電流鏡電路中存在同樣的問題，高阻節(jié)點(diǎn)一個(gè)輸入階躍變化將改變Q6的V CE 值，從而改變Q6的V BE 值，但Q5的VBE 不變，V BE 的變化將造成反饋回V IN- 的誤差電流，由于誤差電流乘以RF將產(chǎn)生輸出失調(diào)電壓。外，各晶體管的功耗僅在一個(gè)小區(qū)域中，由于區(qū)域太小，以致器件之間達(dá)不到熱耦合。在應(yīng)用中，運(yùn)用反相放大器結(jié)構(gòu)，能消除共模輸入電壓，從而可降低輸入級的熱誤差。

圖3 CFA的輸入級和電流鏡電路

問：在什么情況下，熱托尾現(xiàn)象會成為一個(gè)問題?

答：熱拖尾現(xiàn)象與信號的頻率和波形有關(guān)。熱拖尾不會立刻出現(xiàn)，(由工藝決
定的)晶體管的溫度系數(shù)將會決定溫度改變、參數(shù)改變及恢復(fù)所需要的時(shí)間。ADI公司用高速
互補(bǔ)雙極型工藝(CB工藝)制造的運(yùn)放，在高于幾千赫的輸入頻率時(shí)并不出現(xiàn)明顯的熱
拖尾現(xiàn)象，因?yàn)檩斎胄盘栕兓锰臁Ｍㄐ畔到y(tǒng)一般比較關(guān)心頻譜特性，所以熱拖尾可能引
入的附加增益誤差并不重要。階梯波，如圖象應(yīng)用場合中用的階梯波，在直流電平改變時(shí)，
會受到熱拖尾現(xiàn)象的不利影響，對于這些應(yīng)用，CFA不能提供足夠的建立時(shí)間精度。問：現(xiàn)在我明白了CFA是如何工作的，但我仍不清楚在一個(gè)電路中如何使用它。CFA的反相輸入端輸入阻抗低是否意味著我不能使用反向放大?

答：請記住CFA的反向放大方式能夠工作，因?yàn)槠浞聪蜉斎攵耸堑妥杩构?jié)點(diǎn)。VF
A的求和節(jié)點(diǎn)是在反饋

環(huán)路建立后，由低輸入阻抗表征。事實(shí)上，因?yàn)镃FA固有的低輸入阻抗，使CFA反向放大方式工作得非常好，能保持求和節(jié)點(diǎn)處于“接地”狀態(tài)，而且在反饋環(huán)建立前就具有這樣的特性。在高速應(yīng)用中VFA求和節(jié)點(diǎn)處會出現(xiàn)電壓尖峰，而CFA電路不會有電壓尖峰出現(xiàn)。你還可以記得CFA反向工作方式具有的優(yōu)點(diǎn)，包括使輸入壓擺率達(dá)到最大和減小由于熱拖尾引起的建立時(shí)間誤差。問：這就意味著我能用一個(gè)CFA構(gòu)成一個(gè)電流駁繆(IV)轉(zhuǎn)換器，對嗎?

答：對。CFA可以構(gòu)成IV轉(zhuǎn)換器，但有一些限制因素：CFA的帶寬直接隨反饋電阻的變化而改變，反向輸入的電流噪聲會變得很高。在放大小電流時(shí)，因?yàn)樾盘栐鲆骐S電阻線性增大，而電阻噪聲按R增加，所以反饋電阻越大，意味著信噪(電阻噪聲)比越高。反饋電阻增大一倍，信號增益增大一倍，而電阻噪聲僅增加到14倍。不幸的是，對CFA來說，噪聲的作用加倍，信號帶寬減半。因此，CFA電流噪聲大阻礙了它在許多光電二級管電路中的使用。在噪聲要求不很嚴(yán)格時(shí)，根據(jù)帶寬要求選擇一個(gè)適當(dāng)反饋電阻，用另一級增加增益。