电流反馈运算放大器的原理及应用

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1、电流反馈运算放大器的原理及应用北京航空航天大学1—12信箱(100083)郭荣祥郭吉祥北京市英赛尔器件集团(100044)高工摘要：介绍了电流反馈运算放大器(CFA)的原理、特性、应用考虑及典型器件。关键词：电流反馈运算放大器(CFA)电压反馈运算放大器(VFA)1概述世纪之交，随着通信和多媒体技术的迅猛发展，对高速集成电路的要求不断提高。用电流模技术制造的电流反馈运算放大器(CFA)应运而生，以其独特的性能，赢得了电子工程师们的极大关注。CFA与传统的电压反馈运算放大器(VFA)相比具有许多优点，最主要的特点是CFA的输入级抛弃了差动电路，

2、而采用互补跟随电路，提高了输入级转换速率；CFA的闭环带宽与增益无关，不存在增益带宽积的限制。除了结构设计考虑之外，制造工艺的改进也是十分重要的。目前高速CFA和VFA一般都采用流行的互补双极型(CB)工艺。近年来美国ADI公司推出了最新专利技术——介质隔离超高速互补双极型(XFCB)工艺，促使CFA器件和应用发展到一个新阶段。XFCB与CB工艺相比，器件速度更快，是CB工艺的5倍，供电电源低，仅要求±6V。功率为CB工艺的1/8，高集成度、小尺寸使XFCB工艺生产的芯片成本与CB工艺相当。用XFCB工艺生产的CFA(AD8009)转换速率(

3、SR)达到4500V/μs，-3dB单位增益带宽(fu)最小为1000MHz，而用XFCB生产的VFA(AD9632)SR为1200V/μs，-3dB单位增带宽为250MHz，可见用XFCB工艺制造的CFA可以获得比VFA高得多的性能。对转换速率、大信号带宽要求较高的场合，通常用CFA代替VFA。2CFA的工作原理及特性CFA的工作原理图如图1所示，同相输入端具有很高的输入阻抗，其输入信号通过互补射极跟随器Q1和Q2，直接缓冲输出到反相输入端。由于发射极电阻很小，所以反相输入端阻抗很低(一般为10～100Ω)。图1CFA的工作原理图Q1与Q2

4、的集电极驱动电流镜Q3和Q4，该电流镜把反相输入的电流传输给高阻节点T(s)，该高阻节点特性用RT和CP表示。假设给CFA同相输入端加一个阶跃信号，Q1立即把相应的电流输出供给外部反馈电阻，产生一个误差电流I，Q3同时把I加到高阻节点上。高阻节点电压等于电流I乘以等效阻抗RT‖ZC。可见CFA的开环增益T(s)是一个阻抗，而不是VFA中无量纲的开环电压增益A(s)，所以CFA也可称为互阻放大器。因为误差电流I不受输入极偏置电流限制，所以理想CFA的SR不受限制，可以非常高。电流镜从电源上取得电流，供给高阻节点。负反馈环路迫使输出达到某个电压值

5、，该电压值使反相输入的误差电流为0。CFA的等效模型和相应的波特图如图2所示。输入缓冲单元的输出阻抗为RO，输入误差电流为I，运用负反馈原理列出节点方程，可求得：VOUTVIN=1+R2/R11+jωCPR2(1+R0/R1+R0/R2)在闭环-3dB带宽fCL处满足下式：2πfCLCPR2(1+RO/R1+RO/R2)=1当ROR1，ROR2时，由上式可得：fCL=1/2πCPR2图2CFA的等效模型和波特图上式表明CFA由内部极点电容CP和外部反馈电阻R2决定，而与增益设置电阻R1无关。由于fCL与R2成反比，所以制造商常把CFA的R

6、2优化成某个特定值。R2大于此值，带宽会降低；R2小于此值，CFA会由于高频寄生极点而产生振荡，工作不稳定。从上面工作原理可以归纳出CFA的基本特性：(1)由于CFA的转换速率不受限制，所以在同样的制造工艺，同样的静态电源电流条件下，CFA能比VFA获得更高的全功率带宽(FPBW)，CFA的全功率带宽和小信号带宽近似相等。(2)由于CFA的反相输入电阻非常小，所以它对反相输入端杂散电容的敏感程度比VFA小很多。把CFA接成反相工作方式(如I/V转换器)会很有利。(3)CFA的闭环带宽由内部极点电容和外部反馈电阻决定，与增益电阻无关。而VFA具

7、有恒定的增益带宽积，增益增加，带宽下降。CFA带宽与增益无关的特性使它特别适用于可编程增益应用场合。3CFA的影响因素31反馈电容的影响在讨论反馈电容的影响之前，首先介绍噪声增益(NG)的概念，因为应用NG可在波特图上分析系统稳定性。对VFA，NG是运放输出噪声电压与输入端噪声电压之比。直流NG可用来反映输入失调电压(及其它输入误差)对输出的影响。无论同相放大器还是反相放大器，噪声增益都为1+R2/R1，而信号增益则不同。对CFA，NG为输出噪声电压与反相输入端的噪声电流之比，用互阻表示。根据CFA等效模型可以推出CFA的电流噪声增益CNG

8、=R0+Z2(1+R0/Z1)。NG在波特图上是频率的函数，如果反馈是纯电阻，那么NG是常数。如果反馈环路中有电抗，那么NG会随频率而改变。在对数坐标的波特图上零点