在電壓反饋(VFB)和電流反饋(CFB)運(yùn)算放大器之間選擇

電流反饋和電壓反饋具有不同的應(yīng)用優(yōu)勢。在很多應(yīng)用中，CFB和VFB的差異并不明顯。當(dāng)今的許多高速CFB和VFB放大器在性能上不相上下，但各有其優(yōu)缺點(diǎn)。本指南將考察與這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相關(guān)的重要考慮因素。

VFB和CFB運(yùn)算放大器的直流及運(yùn)行考慮因素

VFB運(yùn)算放大器

●   對于要求高開環(huán)增益、低失調(diào)電壓和低偏置電流的精密低頻應(yīng)用，VFB運(yùn)算放大器是正確的選擇。高速雙極性輸入VFB運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓很少進(jìn)行微調(diào)，因?yàn)檩斎爰壍氖д{(diào)電壓匹配十分出色，一般為1至3 mV，失調(diào)溫度系數(shù)為5至15μV/°C。在微調(diào)后，可實(shí)現(xiàn)低于20 μV的輸入失調(diào)電壓。采用自穩(wěn)零架構(gòu)的運(yùn)算放大器可提供低于5 μV的失調(diào)電壓，但我們在此不予考慮。有關(guān)自穩(wěn)零運(yùn)算放大器的詳情，請參閱指南MT-055。

●   VFB運(yùn)算放大器上的輸入偏置電流（無輸入偏置電流補(bǔ)償電路）在(+)輸入端和(–)輸入端大致相等，范圍為1至5 μA。有的FET輸入運(yùn)算放大器的輸入偏置電流不到200 fA，適用于靜電計(jì)等應(yīng)用。（如AD549）。

●   因輸入偏置電流引起的輸出失調(diào)電壓可以歸零，其方法是反相和同相輸入端中的有效源電阻相等。這種方法對于偏置電流補(bǔ)償VFB運(yùn)算放大器無效，因?yàn)檫@類放大器的輸入端有額外的電流誤差源。在這種情況下，凈輸入偏置電流不一定相等，也不一定具有相同的極性。

●   VFB運(yùn)算放大器在反饋網(wǎng)絡(luò)控制著整體響應(yīng)的應(yīng)用中十分有用，比如有源濾波器應(yīng)用。然而，有些VFB運(yùn)算放大器是經(jīng)過非完全補(bǔ)償處理的，使用時(shí)必須超過其額定的最低閉環(huán)增益。

●   VFB運(yùn)算放大器的簡化模型是大家耳熟能詳?shù)模心M電子教材中都有論述。

●   VFB架構(gòu)適用于那些需要軌到軌輸入和輸出的低電源電壓應(yīng)用。

CFB運(yùn)算放大器

●   另一方面，我們對電流反饋(CFB)運(yùn)算放大器的了解較少，相關(guān)文獻(xiàn)也不多。許多設(shè)計(jì)師選擇VFB運(yùn)算放大器，只是因?yàn)樗麄兏私膺@種放大器。

●   CFB運(yùn)算放大器的開環(huán)增益和精度一般低于精密VFB運(yùn)算放大器。

●   CFB運(yùn)算放大器的反相和同相輸入阻抗不相等，而且CFB運(yùn)算放大器的輸入偏置電流一般也是不相等且不相關(guān)的，因?yàn)?+)輸入端和(–)輸入端具有完全不同的架構(gòu)。為此，外部偏置電流取消機(jī)制也不起作用。CFB輸入偏置電流的范圍為5至15 μA，在反相輸入端一般都較高。

●   由于CFB運(yùn)算放大器一般是針對一個(gè)固定的反饋電阻值而優(yōu)化的，因此，除設(shè)置閉環(huán)增益以外，其反饋網(wǎng)絡(luò)的靈活性顯得不足。這使得CFB運(yùn)算放大器不適合多數(shù)有源濾波器，Sallen-Key濾波器除外，因?yàn)檫@種濾波器可以采用合適的固定反饋電阻進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖1總結(jié)了VFB和CFB運(yùn)算放大器的直流及運(yùn)行考慮因素。

●   CFB架構(gòu)確實(shí)適用于軌到軌輸入和輸出。

VFB和CFB運(yùn)算放大器的直流及運(yùn)行考慮因素

■   VFB運(yùn)算放大器

●   高開環(huán)增益和直流精度

●   提供低失調(diào)電壓(<20 μV)

●   提供低偏置電流（JFET、CMOS或偏置電流補(bǔ)償） (<200 fA)

●   平衡輸入阻抗

●   靈活的反饋網(wǎng)絡(luò)

●   提供軌到軌輸入和輸出

■   CFB運(yùn)算放大器

●   較低的開環(huán)增益和直流精度

●   較高的失調(diào)電壓

●   反相輸入阻抗低，同相輸入阻抗高

●   輸入偏置電流不如VFB低，并且匹配程度不如VFB

●   實(shí)現(xiàn)最佳性能需使用固定反饋電阻

VFB和CFB運(yùn)算放大器的交流考慮因素

VFB運(yùn)算放大器

●   VFB運(yùn)算放大器的一個(gè)顯著特點(diǎn)是，它們可在較寬的頻率范圍內(nèi)提供恒定的增益帶寬積。

●   另外，市場上有高帶寬、高壓擺率、低失真VFB運(yùn)算放大器，其針對低靜態(tài)電流采用了“H橋”架構(gòu)（指南MT-056）。

●   VFB運(yùn)算放大器適用于各類有源濾波器架構(gòu)，因?yàn)槠浞答伨W(wǎng)絡(luò)非常靈活。

CFB運(yùn)算放大器

●   CFB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要用于對高帶寬、高壓擺率和低失真有極高要求的場合。有關(guān)CFB運(yùn)算放大器交流特性的詳細(xì)討論，請參閱指南MT-057。

●   對于給定的互補(bǔ)性雙極性IC工藝，CFB一般可在相同量的靜態(tài)電流下產(chǎn)生比VFB高的FPBW（因而具有較低的失真）。這是因?yàn)镃FB幾乎不存在壓擺率限制。為此，其全功率帶寬和小信號帶寬大約相同。然而，高速VFB運(yùn)算放大器中使用的“H橋”架構(gòu)在性能上幾乎與CFB運(yùn)算放大器相當(dāng)（指南MT-056）。

●   不同于VFB運(yùn)算放大器，CFB運(yùn)算放大器的反相輸入阻抗極低。在反相模式下將運(yùn)算放大器作為I/V轉(zhuǎn)換器使用時(shí)，這是一種優(yōu)勢，因?yàn)槠鋵Ψ聪噍斎腚娙莸拿舾卸鹊陀赩FB。

●   CFB運(yùn)算放大器的閉環(huán)帶寬由內(nèi)置電容以及外置反饋電阻的值決定，相對而言，是獨(dú)立于增益設(shè)置電阻的（即從反相輸入端到地的電阻）。這使得CFB運(yùn)算放大器成為要求增益獨(dú)立帶寬的可編程增益應(yīng)用的理想選擇。

●   由于CFB運(yùn)算放大器必須配合一個(gè)固定反饋電阻使用，才能實(shí)現(xiàn)最佳穩(wěn)定性，因此，在除Sallen-Key濾波器以外，它們作為有源濾波器的應(yīng)用是十分有限的。

●   在CFB運(yùn)算放大器中，其反饋電阻上較小的雜散電容值可能導(dǎo)致不穩(wěn)定。

VFB和CFB運(yùn)算放大器的交流考慮因素

■   VFB運(yùn)算放大器

●   恒定的增益帶寬積

●   提供高壓擺率和高帶寬

●   提供低失真版本

●   靈活的反饋網(wǎng)絡(luò)

●   適合有源濾波器

■   CFB運(yùn)算放大器

●   各種閉環(huán)增益下的帶寬相對恒定

●   增益帶寬積不恒定

●   針對特定工藝和功耗提供略高的壓擺率和帶寬（相比VFB而言）

●   提供低失真版本

●   實(shí)現(xiàn)最佳性能需使用固定反饋電阻

●   雜散反饋電容導(dǎo)致不穩(wěn)定

●   難以用于非Sallen-Key型有源濾波器

●   低反相輸入阻抗降低I/V轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中的輸入電容影響

VFB和CFB運(yùn)算放大器的噪聲考慮因素

VFB運(yùn)算放大器

●   市場上有些精密VFB運(yùn)算放大器的輸入電壓噪聲不到1 nV/√Hz。多數(shù)JFET或CMOS輸入VFB運(yùn)算放大器的輸入電流噪聲低于100 fA/√Hz，有些則低于1 fA/√Hz。然而，總輸出噪聲不但取決于這些值，同時(shí)也取決于閉環(huán)增益和反饋電阻的實(shí)際值（指南MT-049）。

●   對于VFB運(yùn)算放大器，反相和同相輸入電流噪聲一般相等，而且?guī)缀蹩偸遣幌嚓P(guān)。寬帶雙極性VFB運(yùn)算放大器的典型值范圍為0.5 pA/√Hz至5 pA/√Hz。當(dāng)增加輸入偏置電流補(bǔ)償電路時(shí)，雙極性輸入級的輸入電流噪聲會(huì)提高，因?yàn)樗鼈兊碾娏髟肼暡幌嚓P(guān)，因而會(huì)（以RRS方式）增加雙極性級的內(nèi)生電流噪聲。然而，偏置電流補(bǔ)償很少用在高速運(yùn)算放大器中。

CFB運(yùn)算放大器

●   CFB運(yùn)算放大器中的輸入電壓噪聲一般低于帶寬與之近似的VFB運(yùn)算放大器。其原因在于，CFB運(yùn)算放大器中的輸入級一般在較高的電流下工作，從而使發(fā)射極電阻下降，結(jié)果導(dǎo)致電壓噪聲降低。CFB運(yùn)算放大器的典型值范圍為1至5 nV/√Hz。

●   然而，CFB運(yùn)算放大器的輸入電流噪聲一般大于VFB運(yùn)算放大器，因?yàn)槠淦秒娏髌毡檩^高。CFB運(yùn)算放大器的反相電流噪聲和同相電流噪聲通常不同，因?yàn)樗鼈儾捎玫氖仟?dú)特的輸入架構(gòu)，二者表示為獨(dú)立的規(guī)格參數(shù)。多數(shù)情況下，反相輸入電流噪聲是二者中較大者。CFB運(yùn)算放大器的典型輸入電流范圍為5至40 pA/√Hz。這往往可能占據(jù)主導(dǎo)地位，但在電壓噪聲占主導(dǎo)地位的超高閉環(huán)增益下除外。

計(jì)算噪聲的最佳方法是寫一個(gè)簡單的電子表格計(jì)算程序，以自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，其中要包括所有噪聲源。在指南MT-049 中討論的等式可用于該目的。

VFB和CFB運(yùn)算放大器的噪聲考慮因素

■   VFB運(yùn)算放大器

●   提供低電壓噪聲( < 1 nV/√Hz)

●   提供低電流噪聲（JFET和CMOS輸入）

●   反相和同相輸入電流噪聲相等且不相關(guān)

●   計(jì)算總噪聲時(shí)必須考慮反饋網(wǎng)絡(luò)和外部電阻值

■   CFB運(yùn)算放大器

●   低電壓噪聲（1至5 nV/√Hz）

●   較高的電流噪聲（5至40 pA/√Hz）通常是主要因素

●   計(jì)算總噪聲時(shí)必須考慮反饋網(wǎng)絡(luò)和外部電阻值

總結(jié)

對于多數(shù)通用或高精度低頻、低噪聲應(yīng)用，VFB運(yùn)算放大器通常是最佳選擇。VFB運(yùn)算放大器也非常適合單電源應(yīng)用，因?yàn)樵S多此類放大器提供軌到軌輸入和輸出。

VFB運(yùn)算放大器具有極為靈活的反饋網(wǎng)絡(luò)，因而適用于有源濾波器設(shè)計(jì)。

CFB運(yùn)算放大器具有最佳帶寬、壓擺率和失真性能，但犧牲的是直流性能、噪聲以及使用固定值反饋電阻的要求。CFB運(yùn)算放大器在有源濾波器中的應(yīng)用僅限于Sallen-Key等同相配置。

■   選擇VFB運(yùn)算放大器可獲得下列優(yōu)點(diǎn)

●   高精度、低噪聲、低帶寬

●   軌到軌輸入和輸出

●   反饋網(wǎng)絡(luò)靈活性

●   有源濾波器

■   選擇CFB運(yùn)算放大器可獲得下列優(yōu)點(diǎn)

●   超高帶寬、壓擺率和極低失真

●   不同增益下的帶寬相對恒定

●   Sallen-Key有源濾波器

參考文獻(xiàn)

1.Hank Zumbahlen, Basic Linear Design, Analog Devices, 2006, ISBN: 0-915550-28-1.另見Linear Circuit Design Handbook, Elsevier-Newnes, 2008, ISBN-10: 0750687037, ISBN-13: 978-0750687034.Chapter 1.

2.Walter G. Jung, Op Amp Applications, Analog Devices, 2002, ISBN 0-916550-26-5，另見Op Amp Applications Handbook, Elsevier/Newnes, 2005, ISBN 0-7506-7844-5.Chapter 1.