針對高速應(yīng)用的電流反饋運算放大器

電流反饋運算放大器架構(gòu)現(xiàn)已成為針對多類應(yīng)用的主要解決方案，該放大器架構(gòu)具有很多優(yōu)勢，并且?guī)缀蹩捎糜谌魏涡枰\算放大器的產(chǎn)品設(shè)計中。

電流反饋放大器沒有基本的增益帶寬乘積的局限性，隨著信號振幅的增加，帶寬損耗依然很小就證明了這一點。由于大信號具有極小的失真，所以在很高的頻率情況下這些放大器一般都具有出色的線性度。電流反饋放大器在很寬的增益范圍內(nèi)的帶寬損耗很低，而電壓反饋放大器的帶寬損耗卻隨增益的增加而增加。因此，準確地說就是電流反饋放大器沒有增益帶寬積的局限性。當然，電流反饋放大器也不是無限快的。壓擺率受制于晶體管本身的速度限制(而非內(nèi)部偏置電流)。這可以在給定的偏置電流下實現(xiàn)更大的壓擺率，而無需使用正反饋和其它可能影響穩(wěn)定性的轉(zhuǎn)換增強技術(shù)。

那么，怎么實現(xiàn)這樣一個奇妙的電路呢?電流反饋運算放大器具有一個與差分對相對的輸入緩沖器。輸入緩沖器通常是一個射極跟隨器或類似的器件。非反向輸入是高阻抗的，而緩沖器的輸出(即放大器的反向輸入)是低阻抗的。相反，電壓反饋放大器的2個輸入均是高阻抗的。

電流反饋運算放大器的輸出是電壓，且與通過名為跨導(dǎo)阻抗z(s)的復(fù)變函數(shù)流出或流入運算放大器的反向輸入端的電流有關(guān)。在直流電情況下，跨導(dǎo)阻抗很高(與電壓反饋放大器類似)，并且隨著頻率的增加而單刀滾降。

解決電流反饋運算放大器靈活性問題的關(guān)鍵在于可調(diào)帶寬和可調(diào)穩(wěn)定性。因為反饋電阻值會改變放大器的AC環(huán)路動態(tài)特性，所以會影響帶寬和穩(wěn)定性。除了極高的壓擺率和根據(jù)反饋電阻調(diào)整帶寬的能力，還可以獲得與器件的小信號帶寬很接近的大信號帶寬。更好的是，該帶寬在寬增益范圍內(nèi)被大量保留。并且，因為固有的高線性度，所以也可以在高頻率情況下獲得低失真和大信號。

如何找到最佳的R_F

由于放大器的AC特性部分取決于反饋電阻，所以能夠針對各個獨特的應(yīng)用調(diào)整放大器。降低反饋電阻的值能增加環(huán)路增益。低增益下，反饋電阻會設(shè)成較高的值，以便保持高穩(wěn)定性和最大帶寬。隨著增益的增加，環(huán)路增益自然就降低了。在需要高增益時，可以通過使用較小的反饋電阻來部分地恢復(fù)該環(huán)路增益。

從圖2可以看出改變反饋電阻時帶寬有什么變化。在最右邊R_F等于147歐姆處，可以看到頻率響應(yīng)正好達到最大值。該曲線還具有最大帶寬。將電阻降到遠低于147歐姆會導(dǎo)致在脈沖響應(yīng)時產(chǎn)生振蕩，而太低時會發(fā)生振蕩。R_F=300的曲線具有出色的平坦度和增益，而且還具有可與峰值頻率響應(yīng)相媲美的帶寬。因此，實現(xiàn)了很高的穩(wěn)定性，而并未損耗大量帶寬。如果應(yīng)用只需50或60MHz的帶寬(高于該值就會產(chǎn)生噪聲)，可以通過改變反饋電阻來調(diào)節(jié)器件的頻率響應(yīng)。使用這類帶寬有限的快速放大器的原因是它能夠提供出色的信號保真度。

同一器件的數(shù)據(jù)表如圖3所示。給定非反向增益條件下建議使用的反饋電阻如圖所示。在增益為2的情況下，推薦使用的反饋電阻為300歐姆，這樣可獲得最佳的增益平坦度、穩(wěn)定時間和速度組合。并且，從圖上可以看出在增益為1的情況下，需要使用600歐姆的反饋電阻方可獲得最優(yōu)的性能。這是因為環(huán)路增益很高，需要大阻值電阻方可實現(xiàn)高穩(wěn)定性。這是電流反饋架構(gòu)和電壓反饋架構(gòu)的主要區(qū)別。電流反饋放大器不能同短接到反向輸入的輸出一同使用。

數(shù)據(jù)表中最常用的電阻是針對增益為2的情況。然而，從圖2可以看出，可以根據(jù)情況靈活選用電阻。數(shù)據(jù)表中的推薦值是用于生成性能列表中規(guī)定的指標和曲線的值。

在增益為5的情況下，R_F低至200歐姆，如圖3所示。增益設(shè)定電阻現(xiàn)在僅為50歐姆，所以達到了輸入緩沖器電阻和增益設(shè)定電阻相近的點。這降低了運算放大器的閉環(huán)互阻抗，并隨著增益的增加而開始限制帶寬。在增益為8的情況下，反饋電阻重新回到275歐姆。一旦不能通過降低反饋電阻來增加增益，就得犧牲帶寬來獲得較高的增益，并且電流反饋放大器的運行方式就和電壓反饋放大器類似了。

電路板布局

電流反饋運算放大器(或者是高速產(chǎn)品一般需要考慮的因素)需要仔細考慮的因素之一是板布局。表面貼裝、陶瓷電源旁路電容需要距離器件很近，一般不超過3mm。如果需要較大的，則電解電容可以距離電路板稍遠一點。通常有一個板上穩(wěn)壓器。這種情況下，除了穩(wěn)壓器供應(yīng)商推薦使用的那些電容以外，無需添加電解電容。安裝在放大器附近的小型陶瓷旁路電容用于驅(qū)動放大器的高頻響應(yīng)。根據(jù)放大器速度和放大信號的不同，可以使用2個電容值至少相差10倍的陶瓷電容。例如，400MHz的放大器可以并聯(lián)0．01uF和1nF電容。購買電容時，檢查自諧振頻率很重要。在接近或高于該頻率的頻率下，電容不具備任何優(yōu)勢。接地和電源層有助于為接地電流和電源電流提供低阻抗通路。接地和電源層均應(yīng)從放大器的輸入和輸出引腳下面以及反饋電阻下面移出。這有助于通過降低不需要的寄生電容來保持放大器的穩(wěn)定性。

要盡可能地使用表面貼裝元件。這些可以提供最高的性能，并且占用的板空間也最小。PC板跡線應(yīng)盡可能的短，并且其尺寸應(yīng)能將寄生效應(yīng)降至最低水平。至于電源跡線，最差的寄生特性是DC電阻和電感，所以電源跡線應(yīng)盡可能的寬。另一方面，輸入和輸出跡線傳輸?shù)碾娏魍ǔ６己苄。匀菪约纳F(xiàn)象的危害性最大。對于超過1cm的信號通路而言，最好使用受控阻抗和雙端接傳輸線路。

由于少量的寄生負載是不可避免的，所以電流反饋放大器的反饋電阻能為特殊應(yīng)用靈活調(diào)整放大器性能。雖然板布局實在是極具挑戰(zhàn)性，但即使這樣，很大的反饋電阻也可能不夠。這種情況，還有另外一種方法。

驅(qū)動容性負載

通過加入電阻(R_OUT)幾乎可以在放大器輸出端上驅(qū)動任何數(shù)量的電容，而不會出現(xiàn)穩(wěn)定性問題，如圖4所示。這是運算放大器常用的方法，對電壓和電流反饋放大器均起作用。當驅(qū)動高速模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換器時，這種方法就特別有用。R_OUT電阻安裝在運算放大器和容性負載(ADC)之間；在板空間允許的情況下，電阻應(yīng)盡可能靠近放大器。圖5中的曲線表明了根據(jù)電容尺寸的不同而建議使用的R_OUT的電阻值。該圖是基于1k歐姆電阻負載而繪制的。如果R₁小于該值，則R_OUT也可以小于該值。另一種方法是將R_OUT放在反饋回路內(nèi)部(圖中未標明)。可以將R_F連到隔離電阻的輸出端，而不是把R_F連在如圖所示的R_OUT和放大器之間。這可以保持增益準確度，但是隔離電阻仍然會損失和其它實例電阻等量的電壓擺動。雖然這種方法確實有缺點，但還是應(yīng)該實現(xiàn)。因為電阻和電容形成了一個低通濾波器，所以使用該電路會損失帶寬。LMH6738的響應(yīng)圖表如圖6所示。正如看到的一樣，無論電阻值為多少，電容越高，越難驅(qū)動和相應(yīng)地降低帶寬。

降低系統(tǒng)噪聲

降低噪聲對于構(gòu)建IP放大器或低頻RF濾波器而言非常重要。由于具有電流反饋放大器，雖然看上去互相矛盾，但是增加反饋電阻通常可以降低系統(tǒng)噪聲。這是因為頻率響應(yīng)下降的速度比電阻噪聲上升的速度快。為了降低放大器之后的電路噪聲，應(yīng)該只使用必要的帶寬，這一點很重要。除了使用阻值最合適的反饋電阻，還可以給該電路添加一個濾波器。通常可以利用Sallen-Key濾波器拓撲將濾波器整合到放大器反饋網(wǎng)絡(luò)中。如果可能，AC耦合也有助于消除低頻噪聲(常稱為1／F噪聲)。目的是消除放大的頻帶以外的所有噪聲。系統(tǒng)級考量需要早點把噪聲最低、增益最高的模塊安裝到電路中。越早增加增益，噪聲對信號的影響就越小。如果可能，應(yīng)避免使用大型源電阻。電阻增加的熱噪聲與電阻值成正比。

結(jié)語

當考慮使用電流反饋運算放大器而放棄使用電壓反饋運算放大器時，應(yīng)用意識到在某些領(lǐng)域中電壓反饋放大器可能更具優(yōu)勢。對于電流反饋拓撲而言，輸入偏置電流不是完全匹配的。非反向輸入的阻抗比反向輸入的高，一般具有較低的輸入偏置電流。反向輸入偏置電流通常較大，這會在偏置電流必須流經(jīng)大阻值電阻時引發(fā)輸入電壓偏置。

電流反饋元件上的失調(diào)電壓是匹配的，并且值很小，但它們不全為零。因此，它會隨工藝和溫度的變化而發(fā)生更大的變化，而電流反饋運算放大器的典型失調(diào)電壓則可以做的很好。如果輸入失調(diào)電壓需要極高的精度，那么選擇電壓反饋放大器通常會更好。電流反饋放大器的緩沖器配置需要反饋電阻，而電壓反饋放大器可以使用短路。一般來說這個不成問題，除非在現(xiàn)有設(shè)計中替換現(xiàn)有的電壓反饋放大器。

最后，電流反饋放大器的反饋環(huán)路中的電容會導(dǎo)致不穩(wěn)定。某些通用電路拓撲不適用于電流反饋放大器。對于大多數(shù)電路而言，有適用于電流反饋放大器的替代布局。

得益于電流反饋放大器特性的應(yīng)用包括：演示質(zhì)量的視頻線路驅(qū)動器和路由器、模擬·數(shù)字轉(zhuǎn)換器驅(qū)動、IF放大器和時鐘緩沖器。電流反饋放大器適用于任何需要實現(xiàn)高信號保真度和高速的應(yīng)用。