高速電流反饋運(yùn)算放大器

CFB運(yùn)算放大器簡化電路和模型

現(xiàn)在，我們將詳細(xì)考察高速運(yùn)算放大器中非常流行的電流反饋(CFB)運(yùn)算放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如前所述，電路概念雖然出現(xiàn)在數(shù)十年之前，但要充分發(fā)揮這種架構(gòu)的優(yōu)勢，需要采用現(xiàn)代高速互補(bǔ)雙極性工藝。眾所周知，在雙極型晶體管電路中，在所有其他條件相同的情況下，電流的切換速度快于電壓。這構(gòu)成了非飽和發(fā)射極耦合邏輯(ECL)和電流輸出DAC等器件的基礎(chǔ)。在電流開關(guān)節(jié)點(diǎn)維持低阻抗有助于降低雜散電容的影響，這是高速運(yùn)行狀態(tài)下最大的危害因素之一。電流鏡很好地展示了如何在最少量的延遲下實(shí)現(xiàn)電流開關(guān)。

圖1：簡化版電流反饋(CFB)運(yùn)算放大器

電流反饋運(yùn)算放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只是這些基本電流導(dǎo)引原理的應(yīng)用。以上圖1給出了簡化的CFB運(yùn)算放大器。同相輸入端為高阻抗，并通過互補(bǔ)發(fā)射極跟隨緩沖器Q1和Q2直接緩沖至反相輸入端。注意，反相輸出阻抗極低(一般為10至100 Ω)，這是低發(fā)射極電阻造成的(理想狀況下為零)。這是CFB與VFB運(yùn)算放大器之間的一個(gè)基本差異，同時(shí)也CFB運(yùn)算放大器的一個(gè)特性，使其具有了某些特有的優(yōu)勢。

Q1和Q2的集電極輸出驅(qū)動(dòng)著電流鏡，而電流鏡則將反相輸入電流映射到高阻抗節(jié)點(diǎn)，分別表示為RT和CP。高阻抗節(jié)點(diǎn)由一個(gè)互補(bǔ)單位增益發(fā)射極跟隨器緩沖。從輸出到反相輸入的反饋發(fā)生作用，強(qiáng)制反相輸入電流歸零，這就是電流反饋這個(gè)術(shù)語的由來。注意，在理想狀況下，對于零反相輸入阻抗，該節(jié)點(diǎn)處不能存在小信號電壓，只能存在小信號電流。

現(xiàn)在，考慮應(yīng)用于CFB運(yùn)算放大器同相輸入端的一個(gè)正階躍電壓。Q1將立即將一個(gè)成比例的電流送入外部反饋電阻，從而形成一個(gè)誤差電流，而Q3則會將該誤差電流映射至高阻抗節(jié)點(diǎn)。在高阻抗節(jié)點(diǎn)處形成的電壓等于該電流與等效阻抗之積。這個(gè)術(shù)語跨導(dǎo)運(yùn)算放大器正是源于此，因?yàn)閭鬟f函數(shù)為一個(gè)阻抗，而不是像傳統(tǒng)VFB運(yùn)算放大器那樣，是一個(gè)無單位的電壓比值。

同時(shí)注意，傳遞至高阻抗節(jié)點(diǎn)的誤差電流不受輸入級尾電流的限制。換言之，不同于常規(guī)VFB運(yùn)算放大器，理想的CFB運(yùn)算放大器中不存在壓擺率限制。電流鏡從電源按需提供流。在此基礎(chǔ)上，負(fù)反饋環(huán)路強(qiáng)制使輸出電壓達(dá)到某個(gè)值，從而將反相輸出誤差電流歸零。CFB運(yùn)算放大器的模型如圖2所示，其中同時(shí)給出了相應(yīng)的波特圖。波特圖是按對數(shù)-對數(shù)

比例尺繪制的，開環(huán)增益表示為一個(gè)跨導(dǎo)T(s)，其單位為歐姆。

圖2：CFB運(yùn)算放大器模型與波特圖

仔細(xì)考察該等式，很快就會發(fā)現(xiàn)，CFB運(yùn)算放大器的閉環(huán)帶寬取決于內(nèi)部的主極點(diǎn)電容CP和外部反饋電阻R2，并且獨(dú)立于增益設(shè)置電阻R1。獨(dú)立于增益維持帶寬恒定的這種能力使得CFB運(yùn)算放大器成為寬帶可編程增益放大器的理想選擇。

由于閉環(huán)帶寬與外部反饋電阻R2成反比，因此，CFB運(yùn)算放大器通常是針對特定R2而優(yōu)化的。從最佳值開始增加R2的值，結(jié)果會降低帶寬，而降低該值則可能導(dǎo)致振蕩和不穩(wěn)定，這是高頻寄生極點(diǎn)所致。

現(xiàn)代CFB運(yùn)算放大器的性能

CFB運(yùn)算放大器AD8011在各種閉環(huán)增益值(+1、+2和+10)下的頻率響應(yīng)如圖3所示。注意，即使是在增益為+10時(shí)，閉環(huán)帶寬仍然大于100 MHz。在增益為+1時(shí)發(fā)生的峰值現(xiàn)象是寬帶CFB運(yùn)算放大器用于同相模式時(shí)的典型特性，其主要原因是反相輸入端存在雜散電容。可以通過犧牲帶寬來減少這種峰值現(xiàn)象，其方法是使用一個(gè)略大的反饋電阻。

圖3：AD8011 頻率響應(yīng)，G = +1、+2、+10

AD8011 CFB運(yùn)算放大器(1995年推出)仍然代表著最佳性能，其主要規(guī)格如下面的圖4所示。

圖4：AD8011的主要技術(shù)規(guī)格

CFB運(yùn)算放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的進(jìn)步

傳統(tǒng)電流反饋運(yùn)算放大器使用電流鏡，限制為一個(gè)單一的增益級。AD8011(以及該系列中的其他成員)與傳統(tǒng)CFB運(yùn)算放大器不一樣，采用二級增益配置，如下面的圖5所示。

圖5：簡化的二級電流反饋運(yùn)算放大器

在AD8011問世以前，完全互補(bǔ)型二增益級CFB運(yùn)算放大器未達(dá)到實(shí)用水平，因?yàn)槠涔倪^高。AD8011采用一種專利第二增益級，由一對互補(bǔ)放大器(Q3和Q4)構(gòu)成。注意，這對放大器并未作為電流鏡連接，而是作為接地發(fā)射極增益級連接。電流源(I1和I2)的詳細(xì)設(shè)計(jì)以及其各自的偏置電流是二級CFB電路成功的關(guān)鍵;它們可以使放大器的靜態(tài)功耗保持

于低位，同時(shí)卻能為快速壓擺期間所需要的寬電流偏移按需提供電流。二級放大器的另一個(gè)優(yōu)勢是其總帶寬較高(功耗相同)，這意味著較低的失真以及驅(qū)動(dòng)較大外部負(fù)載的能力。

圖6簡要總結(jié)了一些常見的電流反饋運(yùn)算放大器。這些器件是按電源電流降序排列的。

圖6：所選CFB運(yùn)算放大器的性能