電流反饋運算放大器在高速I/O中的應用

　　電流反饋的結構與電壓反饋大不相同。電流反饋非常適合用于高速信號，因為它沒有基礎增益帶寬積的限制，同時也由于其固有的線性度。電流反饋運算放大器的帶寬略微受到增益的約束，但不像電壓反饋器件那么嚴重。再者，壓擺率并非受到內部偏置電流的限制，而是受到晶體管自身速度的限制。這樣在給定偏置電流的條件下可以使用更快的壓擺率，而不必采用正反饋或其它壓擺率提升技術。

　　電流反饋運算放大器有一個輸入緩沖器，而不是一個差分線對。輸入緩沖器一般是一個射極跟隨器或其它類似的東西。非反相輸入的阻抗很高，而緩沖器的輸出（作為放大器的反相輸入）則是低阻抗。相比之下，電壓反饋放大器的兩個輸入端都為高阻抗。

　　電流反饋運算放大器的輸出是電壓，并且它與流出或流入運算放大器反相輸入端的電流有關，兩者的關系滿足一個復雜的函數(shù)，名為互阻抗 Z(s)。直流下的互阻抗值很大，并且與電壓反饋運算放大器相似，會隨頻率的增加而單極滾降。



圖 1 - Z(s) 與反饋電阻 RF.

　　電流反饋運算放大器有可調帶寬和可調整的穩(wěn)定度。反饋電阻設定了閉環(huán)動態(tài)范圍，并且會同時影響帶寬和穩(wěn)定度。電流反饋的一個最大優(yōu)點就是有很好的大信號帶寬?；诜答侂娮璧膽?有很高的壓擺率和可調帶寬，使器件的大信號帶寬非常接近于小信號帶寬。并且，由于固有的線性度，高頻大信號時也可以獲得低的失真。
　　
　　為什么 RF 值如此重要？

　　反饋電阻的閉環(huán)特性使我們能夠避免固定增益帶寬的限制。這可以通過降低反饋電阻的值來實現(xiàn)，這樣可以在提高增益的同時保持回路高增益。



圖 2 - RF 對頻率響應的作用

　　圖 2 是一個寬帶視頻放大器的實例?？梢钥吹礁淖兎答侂娮钑r帶寬的變化情況。在曲線最右端 RF 等于 200 Ω，可以看到頻率響應有相當大的尖峰。尖峰幅度幾乎有 1/2 dB。該曲線亦有最大的帶寬。當反饋電阻減小時，尖峰也進一步增加。電阻減小至 200 Ω 以下則很可能在脈沖響應上出現(xiàn)糟糕的振鈴，如果電阻過低則會出現(xiàn)振蕩?？梢钥吹剑琑F=300 時的曲線和增益都相當平坦。并且與多尖峰的頻響曲線相比，仍然能夠保持不錯的帶寬。因此，我們無需放棄太多的帶寬也能得到很好的穩(wěn)定性。此外，當反饋電阻進一步增加時（例如 500 Ω），就可以縮窄頻響范圍。如果某個應用只需要 50 -60MHz 帶寬，超出這個范圍就會增加噪聲，則可以用修改反饋電阻的辦法調整頻響范圍。



圖 3 – LMH6175 視頻放大器，RF 對增益的作用

　　圖 3 出自同一器件的數(shù)據表。圖中顯示的是建議用于給定非反相增益的反饋電阻值。從圖中可以看到，當增益為 1 時，需要 1KΩ 的反饋電阻才能得到最佳性能。這是因為回路增益非常高，因此需要用一支較大的電阻進行中和。這是與電壓反饋結構的主要差異。電流反饋放大器不能用于輸出端對反相輸入端短路的結構。

　　數(shù)據表中最常用的電阻是針對增益為 2 的情況。但是，從圖 2 可以看到，最終采用的實際 電阻值有相當?shù)撵`活性。數(shù)據表建議值只是可選范圍的中間值。再回來看圖 3。在增益為 4 時，RF 降低至 150 Ω。增益設定電阻現(xiàn)在只有 50 Ω，因此，我們現(xiàn)在的狀況`是：輸 入緩沖電阻值與增益設定電阻值基本相同。這樣會降低運算放大器的閉環(huán)互阻，并且在增益增大時開始限制帶寬。在增益為 7 時，我們仍使用 300 Ω 反饋電阻。在這個增益下，我們不指望能得到電流反饋部件提供的帶寬，并且，當增益高至 7 以上時，帶寬隨之下降，這非常像一個電壓反饋的特點。另外還應注意，虛線部分表示的是：根據反相輸入電阻或者放大器的穩(wěn)定度，應該用于某款運算放大器的最低反饋電阻值。兩種因素之一限制了可用反饋電阻的數(shù)量。
　　
　　電路板布局

　　電流反饋運算放大器要仔細考慮的一個問題就是電路板布局，這也普遍適用于所有高速電路。電源旁路電容的布放需要非?？拷骷?，一般要小于 3mm。電容需要兩種，一種是較大的電解電容，它們可以稍微離器件遠些；另一種是小型的瓷片旁路電容，它要緊緊挨著相關器件。小型瓷片旁路電容為極高速瞬變提供能量，并且完成器件旁的電源去耦任務。這些電容中的任何電感負載都會降低其作用效果。大家可能都知道要使用盡量大面積的電源、地層，從而為地電流和電源電流提供低阻抗路徑。但是，還要注意去掉輸入/輸出引腳附近的電源、地層，這樣可以減少這些引腳的寄生電容。


　　反相輸入引腳與反饋電阻對交流地的容抗要盡可能地小。另外，任何運算放大器的輸入端也要有最小的容抗。

　　盡量使用表面貼裝元器件。因為它們的寄生電容最低。走線要短，如不能則可使用可控阻抗，則要在輸入/輸出引腳作傳輸線的雙端終結。



圖 4 – 寄生電容，1pF 反相入，1pF 出

　　圖 4 顯示的只是少量寄生輸入、輸出電容對一個電流反饋運算放大器的作用。綠線是理想曲線。紅線是由寄生電容而得到的尖峰頻率響應。圖 4 中反相輸入端的寄生電容為 1pF，輸出端也是 1pF?？梢杂迷黾臃答侂娮璧霓k法，抵消這少量的寄生負載。這也是電流反饋運算放大器的另一個優(yōu)點。但是，如果電路板布局太差，即使采用了很大的反饋電阻，也會出現(xiàn)尖峰甚至產生振蕩。
　　
　　驅動容性負載



　　
圖 5 – 絕緣電阻與容性負載

　　這是運算放大器中常用的一種技術，可以應用于電壓反饋和電流反饋兩種情況，用于將容性負載（特別是非常小的阻性負載）與電容輸出隔離開來，例如驅動一個高速模數(shù)轉換器。在運算放大器和容性負載間加一個 RISO 電阻。圖中曲線顯示了根據電容大小而建議使用的 RISO 值。圖中是基于一支 1kΩ 的阻性負載。如果 RL 較小，則 RISO 的值也可以較小。另一種方法是將 RISO 放在反饋回路內（圖中未顯示）。除了圖中將 RF 置于 RISO 和放大器之間的方法以外，還可以將 RF 連接到隔離電阻的輸出端。這樣保持了增益的準確性，但會喪失隔離電阻上的部分電壓擺幅。
　　
　　降低系統(tǒng)噪聲

　　當用電流反饋運算放大器建立一個系統(tǒng)時，要進行設計規(guī)劃，使輸出噪聲為最低。這在建立一個中放或低頻射頻放大器時尤其重要。如前所述，其中一項工作是要保證有低的頻響尖峰。用推薦的反饋電阻值就可以做到這一點，有時還可以根據需要提高反饋電阻值。另一件要注意的事是交流耦合。同樣，可以采用一個只允許所需頻率通過的濾波器，將有用帶寬以外的所有噪聲切掉。最大增益電路塊要盡量放在前面。增益越靠前，則對后面信號造成影響的噪聲就越少。另外，也要把噪聲最低的增益元件放在電路最前面。一般來說，應從低噪聲放大器（如砷化鎵元件）或極低噪聲的分立元件獲得增益。盡量避免采用大阻值源電阻。因為電阻增加的熱噪聲與電阻值成正比。
　　
　　電流反饋的注意事項

　　如果你正在尋找一款可與電壓反饋相比的電流反饋放大器，務請牢記下列注意事項：

　　在電流反饋時，輸入偏移電流不會抵消。它不是一個對稱電路，因此兩個電流間不存在固有的平衡。一般情況下，有較高輸入阻抗的非反相輸入端的輸入偏置電流較小，而作為射極跟隨器輸出的反相輸入端偏置電流較大。


　　一款電流反饋器件上的失調電壓可以進行匹配，使之變得很小，但不會為零。這不是一種自然的平衡，因此，一款電流反饋運算放大器的偏移電壓指標不會好到與電壓反饋設計一樣的水平。

　　緩沖結構需要一個反饋電阻。即使在緩沖結構中有現(xiàn)成的電壓反饋放大器電路布局，也不能直接拿來就用，而需要對電流反饋部分作改動。

　　最后，反饋回路中的電容會造成不穩(wěn)定。較高頻率的任何元件都會降低反饋至反相輸入端網絡的阻抗，隨著反饋阻抗值的下降，會造成頻響的尖峰。
　　
　　總結

　　電流反饋運算放大器常常是高速信號的最佳解決方案，此時需要大的輸出波幅與極低的失真。可從電流反饋放大器穩(wěn)定質量中獲益的應用有：演示質量的視頻線路驅動器和路由器、模數(shù)轉換驅動器、中頻放大器和時鐘緩沖器等。對于信號保真度和高速度是主要目標的各種應用場合，電流反饋放大器都有自己的用武之地。