電流反饋運(yùn)放大器電路解析

問(wèn)：我注意到CFA的電流噪聲很高，這會(huì)不會(huì)在使用它時(shí)會(huì)受到限制?

答：你說(shuō)得對(duì)。CFA反向輸入端電流噪聲比較高，大約為20~30pA/Hz。但是與類(lèi)似的VFA相比較，CFA的輸入電壓噪聲非常低，一般小于2nV/Hz，而且其反饋電阻也很小，通常小于1kΩ。在增益為1時(shí)，CFA的主要噪聲源是流過(guò)反饋電阻的反向輸入端的噪聲電流。20pA/Hz的輸入噪聲電流和750Ω的RF在輸出端產(chǎn)生的15nV/的電壓噪聲成為主要噪聲源。當(dāng)增益增加時(shí)(減小輸入電阻RG)，由輸入電流噪聲產(chǎn)生的輸出電壓噪聲不會(huì)增加，這時(shí)運(yùn)放的輸入電壓噪聲成為主要噪聲源。比如，當(dāng)增益為10時(shí)，輸入噪聲電流在輸出端產(chǎn)生的噪聲電壓折合到輸入端僅為15nV/，用平方和的平方根(RSS)形式加到放大器的輸入噪聲電壓上，這樣總的輸入噪聲電壓僅為25nV/(忽略電阻噪聲)。因此在低噪聲應(yīng)用中，CFA是很吸引人的。

問(wèn)：用CFA構(gòu)成四電阻差動(dòng)放大器會(huì)怎么樣?會(huì)不會(huì)因CFA的兩個(gè)輸入端電阻不平衡而不適用于這類(lèi)電路?

答：你問(wèn)得好!這是對(duì)CFA常有的誤解。CFA的兩個(gè)輸入端電阻確實(shí)不匹配，但理
想差動(dòng)放大器的傳遞函數(shù)照樣可以用。兩個(gè)輸入電阻不相同會(huì)有什么樣結(jié)果?低頻時(shí)，四電阻差動(dòng)放大器的CMR由外電阻比值匹配情決定，01%的電阻匹配相應(yīng)的CMR約為66dB；高頻時(shí)，要關(guān)心的問(wèn)題是輸入阻抗形成的時(shí)間常數(shù)的匹配。高速VFA通常具有匹配得非常好的輸入電容，在1MHz時(shí)CMR柯達(dá)到60dB。由于CFA的輸入級(jí)不平衡，其輸入電容不可能匹配好。這意味著為減少時(shí)間常數(shù)失配，在某些運(yùn)放的同相輸入端須接一個(gè)外部電阻(100至200Ω)。如果仔細(xì)選擇電阻，那么CFA也能產(chǎn)生與VFA相當(dāng)?shù)母哳lCMR。在犧牲一部分信號(hào)帶的情況下
外加手調(diào)電容可以進(jìn)一步提高VFA和CFA的性能。若要求更高的性能，最好選擇單片高速差動(dòng)
放大器，如AD830。無(wú)需電阻匹配，它在1MHz時(shí)CMR大于75dB，在10MHz時(shí)CMR約為53dB。

問(wèn)：你認(rèn)為用反饋電容調(diào)節(jié)放大器帶寬情況會(huì)怎樣?反相輸入端低阻抗會(huì)不會(huì)使CFA對(duì)此節(jié)點(diǎn)上的旁路電容敏感性減小?容性負(fù)載情況又會(huì)怎樣?

答：首先考慮在反饋環(huán)路上有一個(gè)電容的情況。對(duì)于VFA，在噪聲增益范圍內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)極點(diǎn)，但對(duì)CFA，在其反饋電阻范圍內(nèi)要出現(xiàn)一個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)，如圖4所示。請(qǐng)記住，反饋電阻與開(kāi)環(huán)互阻交點(diǎn)處的相位裕度決定閉環(huán)穩(wěn)定性。電容CF與RF并聯(lián)后的反饋電阻為：
ZF(s)=［RF+RO(1+RFRG)］1+sCFRFRG
RORFRG+RFRO+RGRO1_sCFRF

圖4 電容反饋電容的作用

極點(diǎn)出現(xiàn)在1/2πRFCF，零點(diǎn)出現(xiàn)在1/［2π(RF∥RG∥RO)CF］。如果ZF與Z
OC 交點(diǎn)處頻率太高，開(kāi)環(huán)相移太大會(huì)引起不穩(wěn)定。對(duì)于積分電路，若RF→∞，極點(diǎn)
出現(xiàn)在低頻處，在高頻處幾乎沒(méi)有電阻限制環(huán)路增益，為限制環(huán)路高頻增益，用一個(gè)電阻與
積分電容串聯(lián)用來(lái)限制高頻環(huán)路增益，這樣可以穩(wěn)電流反
饋積分器。CFA不適用于電抗反饋型濾波器結(jié)構(gòu)，例如阻容并聯(lián)的反饋濾波器，但用CFA構(gòu)成
的SallenKey濾波器除外，因?yàn)樗挥米鞴潭ㄔ鲆鎲卧娐贰？傊幌Ｍ贑FA的RF兩端并接電容。另一個(gè)要考慮的問(wèn)題是CFA的反向輸入端旁路電容的影響。記得VFA，旁路電容會(huì)在噪聲增益上建立一個(gè)零點(diǎn)，增加噪聲增益與開(kāi)環(huán)增益間的閉合速度(rate of closure)，若不進(jìn)行頻率補(bǔ)償，產(chǎn)生過(guò)大的相移會(huì)導(dǎo)致電路不穩(wěn)定。對(duì)CFA，旁路電路有同樣的影響，只不過(guò)此問(wèn)題講得較少。附加輸入旁路電容的反饋電阻表達(dá)式可寫(xiě)作：
ZF(s)=［RF+RO(1+RFRG)］［1+sC IN RFRGRO］RFRG+RFRO+RGRO］零點(diǎn)出現(xiàn)在1/［2π(RF∥RG∥RO)C ON ］，見(jiàn)圖5中f Z1 。這個(gè)零點(diǎn)使CFA產(chǎn)生和VFA一樣的麻煩，只是由于反相輸入阻抗低，零點(diǎn)的轉(zhuǎn)折頻率變高?？紤]寬帶VFA的RF=750Ω，RG=750Ω，C IN =10pF，在1/［2π(RF∥RG)C IN ］處的零點(diǎn)頻率約為40MHz，RO為40Ω而其它電路參數(shù)完全相同的CFA將把零點(diǎn)抬高到400MHz左右。對(duì)于單位增益帶寬都為500MHz的兩種運(yùn)放，VFA需要有反饋電容補(bǔ)償，以減小C IN 的影響，同時(shí)要減小信號(hào)帶寬。CFA雖然因零點(diǎn)會(huì)有一些附加的相移，但由于轉(zhuǎn)折頻率高十倍，受C IN 的影響就沒(méi)有VFA那么大。CFA的信號(hào)帶寬比VFA要大，若要求通帶內(nèi)平坦或脈沖響應(yīng)最優(yōu)，也可以進(jìn)行補(bǔ)償。為減小ZF和Z OL 之間的閉合速度，加一個(gè)小電容并聯(lián)在RF上，就可以改善響應(yīng)。要至少保證45°的相位裕度，應(yīng)當(dāng)選擇反饋電容放到ZF與ZOL 相交的極點(diǎn)處，如圖5中fP點(diǎn)。請(qǐng)不要忘記反饋電容所產(chǎn)生的高頻零點(diǎn)f Z2
的影響。

圖5 反相輸入端旁路電容的作用

CFA中負(fù)載電容呈現(xiàn)出和VFA中一樣的問(wèn)題：增加誤差信號(hào)相移，引起相位裕度變小，可能產(chǎn)
生不穩(wěn)定。處理容性負(fù)載有幾種公認(rèn)的電路方法，但對(duì)于高速運(yùn)放，最好的方法是在運(yùn)放的
輸出端串聯(lián)一個(gè)電阻(見(jiàn)圖6)，在反饋環(huán)的外面有了與負(fù)載電容串接的電阻，放大器不直接

圖6 驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載的串聯(lián)輸出電視

驅(qū)動(dòng)純?nèi)菪载?fù)載。CFA還可嫌加RF以減小環(huán)路增益。不管采用什么方法，帶寬、壓擺率
及建立時(shí)間總會(huì)有些損失。最好根據(jù)要求的特性，如最快上升時(shí)間、達(dá)到規(guī)定精度的最快建
立時(shí)間、最小過(guò)沖或通帶平坦性，用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)具體放大電路進(jìn)行優(yōu)化。

問(wèn)：為什么你們的CFA沒(méi)有一個(gè)能提供真正單電源工作且允許信號(hào)擺幅達(dá)到一個(gè)
或兩上電源限?

這是人們喜愛(ài)VFA電路結(jié)構(gòu)的原因之一。放大器要給出良好的電流驅(qū)動(dòng)能力。并且使信號(hào)擺幅接近電源電壓，通常采用共射輸出級(jí)，而不是一般的射極跟隨器作為輸出級(jí)。共射極輸出級(jí)允許輸出擺幅接近電源電壓，僅相差輸出晶體管的V CE 飽和壓降。在現(xiàn)有的制造工藝中，這類(lèi)輸出級(jí)不會(huì)提供射極跟隨器那樣的速度，其部分原因在于它增加了電路的復(fù)雜性且有較高的固有輸出阻抗。由于CFA是專(zhuān)門(mén)為超高速運(yùn)放和電流輸出發(fā)展起來(lái)的，所
以輸出級(jí)用射極跟隨器電路是其特有的設(shè)計(jì)。隨著高速運(yùn)放制造工藝的發(fā)展，例如ADI公司的超高速互補(bǔ)雙極型工藝(XFCB)，現(xiàn)在已經(jīng)能夠設(shè)計(jì)出共射極輸出超高速運(yùn)放(例如AF8041)，其帶寬為160MHz，壓擺率為160V/μs，+5V單電源供電。這種運(yùn)放采用電壓反饋，雖然在某種程度也使用了電流反饋，其速度還是受輸出級(jí)限制。采用XFCB工藝制造的射極跟隨器作為輸出級(jí)的VFA和CFA的壓擺率，都比AD8041快得多。另外，單電源運(yùn)放輸入級(jí)采用PNP差動(dòng)對(duì)管，允許共模輸入范圍低到電源下限(通常是接地電位)。要為CFA設(shè)計(jì)出這樣的輸入級(jí)，是目前面臨的主要問(wèn)題。

然而，CFA可以用于單電源應(yīng)用場(chǎng)合。ADI公司提供了許多+3V和15V單電源工作的運(yùn)放。必須牢記的是，在應(yīng)用中，只有信號(hào)在允許的輸入電壓和輸出電壓范圍內(nèi)，器件才會(huì)在偏離單電源情況下工作得很好。這就要求電平移動(dòng)或交流耦合，并且偏置到適當(dāng)范圍。在大多數(shù)單電源系統(tǒng)中，已經(jīng)考慮到這種要求。如果系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍必須達(dá)到電源的正負(fù)限之一或兩者，或者如果是在交流耦合應(yīng)用中要求有最大余量(headroom)，CFA可能就不是最好的選擇。當(dāng)驅(qū)動(dòng)大負(fù)戴時(shí)，正負(fù)電源限之間的輸出擺幅性能也是一個(gè)考慮因素，在驅(qū)動(dòng)50Ω或75Ω電纜時(shí)，許多電源正負(fù)限器件的輸出并不能接近電源限，因?yàn)檩敵鲭娏髟黾訒r(shí)，V ＣＥＳＡＴ 飽和電壓也增大。如果你確實(shí)需要電源限輸出性能，那就不必選用CFA。如果你要求超高速和電流輸出，這才是CFA獨(dú)特之處。