电流反馈型运算放大器

大家好 欢迎来到德州仪器高精度实验室 在今天的课程中 我们将讲解电流反馈型运算放大器的相关知识 该课程分为两个部分 分别讲述电流反馈型运放的两个显著的优点 在我们深入探讨 电流反馈型运放的细节之前呢 需要了解两个基本的知识点 首先呢 电流反馈运放的增益 与计算电压反馈型运放的增益是相同的 也就是说在左边的同相放大电路中 增益的计算公式是 1+RF/RG 在右边的反相放大电路中 增益的计算公式是 -RF/RG 第二个呢 就是电流反馈型运放的反馈回路 仍然属于负反馈 同时呢虚地的概念同样适用 也就是说同相输入的电压 VIN+ 与反相输入端的电压为 VIN- 是相等的 电流反型运放与电压反馈型运放相比 主要有两个方面的优点 第一点是电流反馈型运放 并不像电压反馈型运放那样 有一个固定的增益带宽积 上面的表格表明了两种结构的不同 在单位增益的条件下 两种运放的带宽都可以到 100MHz 而当增益提高到 10 也就是 20dB 的条件下 电压反馈型运放的带宽下降到 10MHz 而电流反馈型运放的带宽并没有发生改变 电流反馈型运放的这种特点 使它特别适用于高增益或者增益可调电路 运放的带宽与增益的配置无关 第二点是电流反馈型运放 可以实现更高的压摆率 压摆率被定义为 运放输出电压可达到的最大摆动速率 它是运放的一个重要的参数 决定了运放的大信号带宽 有时候也被称为全功率带宽 运放的压摆率 与全功率带宽的关系如上面所示 由于电流型反馈运放有优异的压摆率特性 所以它一般适用于 高速大信号线性输出电路中 比如 DSL 线路驱动器和信号发生器等 下面我们将进一步来看 电压反馈型运放这两个显著的特点 首先是增益带宽 传统的电压反馈型运放 包含一个高输入阻抗的差分输入级 紧接着是外部增益配置级 和一个低输出阻抗的输出级 如图中所示 当两个输入端口之间存在差分电压 VD 时 电压反馈型运放 以开环增益 AOL 的放大倍数将其放大 根据自动控制理论 闭环增益的计算公式如图中所示 可以观察到低频段时 由于 AOL 很大 闭环增益为 1+RF/RG 在右侧的波特图中呢 增益 1+RF/RG 与 AOL 的交点所对应的频率 为该增益下的 -3dB 带宽 该交点称为环路增益交叉点 随着信号增益的增加 两条曲线会在更小的频率点相交 相反 随着信号增益的减小 两条曲线会在更大频率处相交 这就是为什么电压反馈型运放 有着固定的增益带宽积 而对于电流反馈型运放 其模型如图所示 可以观察到 电流反馈型运放的结构 与电压反馈型运放相比 主要有两点不同 第一点是 在电流反馈型的同相输入端与反相输入端 包含一个 buffer buffer 的增益为 α 且 α 接近于 1 Ri 是 buffer 的输出电阻 也是影响运放动态性能的关键参数 第二点呢是 电流反馈型运放的误差电流 IN 主要来源于反相输入端 而电压反馈型运放的误差电压 来源于两个输入端口之间 电流反馈型运放是通过开环增益跨导 ZOL 将误差电流 IN 进行放大并输出的 这与电压反馈型运放中的开环增益 AOL 类似 电流反馈型运放的闭环增益推导过程 如右图所示 可以看出位于分母中的环路增益 是由以下四个参数共同决定的 第一个是跨导开环增益 ZOL 第二个是反馈电阻 RF 第三个是反馈输入电阻 Ri 以及噪声增益 NG 表达式 RF+Ri×NG 可以看做是电流反馈型运放的反馈互阻抗 反馈互阻抗在环路增益中的作用 与噪声增益在电压反馈型运放的 环路增益中的作用是相同的 但是电压反馈型运放中的环路增益 是受到噪声增益的直接影响 而电流反馈型运放中的环路增益 是受到反馈互阻抗和噪声增益的双重影响 这可以通过以下一个例子更好的解释 反馈电阻 RF 的取值可以从几百欧到几千欧 Ri 的取值通常为几十欧 例如 RF 等于 1000Ω Ri 等于 50Ω 运放的增益为 5 这样反馈互阻抗为 1.25kΩ 由此可以看出噪声增益 NG 的系数 Ri 远小于 RF 因此噪声增益 NG 对环路增益的影响很小 与电压反馈型运放类似 环路增益中分子与分母相等处的频率 就是运放的 -3dB 带宽 就是运放的 -3dB 带宽 因此在小信号增益的情况下 分子中的反馈电阻 RF 将成为决定电流反馈型运放带宽的关键因素 在接下来的讨论中 我们将默认电流反馈型运放放大电路 为同相放大模式 这样闭环增益与噪声增益保持一致 而在反相放大电路中 噪声增益等于 1+反相增益的绝对值 也就是 1+RF/RG 下面我们将结合具体的运放 进一步理解电流反馈型运放的带宽增益 左侧曲线为 THS3091 的小信号频率响应曲线 THS3091 是一个高压低失真的电流反馈型运放 在不同的环路增益中 THS3091 的带宽均稳定在 200MHz 附近 然后让我们看一下电流反馈型运放的波特图 红色的 ZOL 曲线 包含一个主极点和一个高二阶极点 二阶极点作用的部分用红色的虚线表示 高频的极点减小了 电流反馈型运放的相位裕度 图中蓝色的曲线表示反馈互阻抗 当电流反馈型运放的闭环回路 NG 增加时 因为 Ri 是定值 所以反馈互阻抗也会增加 而且在高增益时 Ri 与噪声增益的乘积 与反馈电阻 RF 比较接近 这个增长就会更加显著 反馈互阻抗的增加 会使得蓝色曲线不断的上升 因此会造成闭环增益的交叉点 所在的频率不断的降低 反馈互阻抗的增加 会在提高相位裕度的同时减小闭环带宽 为了使相位裕度和带宽 在不同增益下保持恒定 那反馈互阻抗就要保持不变 当闭环增益提高时 可以通过减小反馈电阻 RF 的措施来实现 当电路的增益很高时 我们要注意反馈电阻的值也会降低 而反馈回路与输出负阻抗是并联在一起的 减小 RF 一定会减小运放输出负载的阻抗 例如运放的增益是 10 的时候 THS3091 的输出阻抗 就从 100Ω 变到了 89.6Ω 综上所述 反馈电阻是环路增益 不可忽视的一个关键组成部分 反馈电阻的取值 建议采用 datasheet 中推荐的 以保持运放的稳定性以及正常工作 而该图是保持运放的增益 NG 固定 改变反馈电阻 RF 的值时 THS3091 的小信号频率响应曲线 其中推荐的电阻值为 1.21kΩ 由图可以看出 使用较小的反馈电阻 RF 时 反馈互阻抗随之减小 因此运放的相位裕度也会降低 同时运放的带宽增大 相位裕度的下降 使得频率响应的过冲增大 当 RF 的值增大到超过推荐值时 反馈互阻抗会随之增大 运放的相位裕度会增加 带宽会变小 带宽会变小 由此可见 可以通过改变反馈互阻抗的大小 来对电流反馈型运放进行补偿 调节电路的相位裕度 为了简化客户电路的设计 电流反馈型运放的 datasheet 上面 通常会有一个图表来反映 反馈电阻和噪声增益的对应关系 上图即为 OPA691 的图表 为了保证不同的增益下带宽不变 运放的反馈互阻抗必须是恒定的 利用图中两个不同的增益和对应的反馈电阻 可以计算出 Ri 的值 从而得到反馈互阻抗的值 比如噪声增益为 2 时 反馈电阻为 400Ω 当噪声增益为 5 时 反馈电阻为 300Ω 联立两个等式可以算出 输入电阻 Ri 的值为 33.33Ω 与这个理论值比较接近的实际值为 35Ω 从而可以计算出 OPA691 的反馈互阻抗为 470Ω 一旦知道了运放的反馈互阻抗 就可以在开环增益曲线上估算出闭环带宽 OPA691 的反馈互阻抗 之前已经计算出来了 是470Ω 或者换算成 53.4dBΩ 可以在图中看出 54dBΩ 和 ZOL 曲线的交叉点的频率是 100MHz 但是在 datasheet 中 增益为 2 时 带宽积为 190MHz 实际测得的带宽与计算出的带宽并不一致 这主要是有以下两个原因 第一个是因为 反馈互阻抗的计算公式 是基于单个极点的一阶系统 但是开环增益 AOL 的曲线是二阶系统 可以很明显的看到 开环增益的相频特型存在 180°的相移 二阶系统的相位裕度的下降 拓宽了闭环带宽 这是一个主要原因 另一个原因是 运放的输入电阻 Ri 在不同的幅值和频率下并不是恒定的 而在理论计算中 我们一直认为 Ri 是 35Ω 接下来我们来看 反馈回路中的电容对运放稳定性的影响 输入电容一般是运放内部结构中的固有电容 或者是 PCB 走线中的寄生电容 如图所示 输入电容与输入电阻相互作用 会在噪声增益的曲线中引入一个零点 PCB 的走线电容 可以通过移除反相输入端的铺地层进行抑制 正如前面所讨论的 为了在不同的增益下 保持一个恒定的反馈互阻抗 当增益降低时 必须增大反馈电阻 RF 的值 增大 RF 的值会造成零点频率的降低 而零点也相当于闭环增益响应中的极点 极点的存在会造成相位裕度的下降 造成运放的不稳定 为了补偿这个极点对相位裕度的影响 可以加入反馈电容 CF 与 RF 并联 这种补偿方式 类似于电压反馈运放中的滞后补偿 补偿电容的使用也要非常谨慎 当输入电容小 而加入的反馈电容比较大时 极点的位置就会位于零点的前面 就会造成反馈互阻抗的值变小 从而使运放的闭环带宽增益 更加接近 ZOL 的高频极点 减小了运放的相位裕度 另外反馈电阻的取值 也不要与 datasheet 中相差太大 否则会造成闭环带宽处于 ZOL 高频极点的后面 如第二张图所示 这样会造成相位裕度的减小 当需要使用运放作为单位增益的 buffer 时 电压型反馈运放的电路设计方法 是将输出端与输入端短接 即反馈电阻设为零 但是对于电流型反馈运放来说 反馈电阻为零时 会造成闭环带宽位于 ZOL 的二阶极点的后面 会造成运放的相位裕度急剧下降 因此在使用电流反馈型运放 设计 buffer 电路时 反馈电阻的取值 需要 datasheet 中给出的特定值