電流型運算放大器在應用電路中的特性研究

陳路瑤，黃光明，馬 麗，唐小峰，劉蘊婷，黃聿琛

（1．華中科技大學 光學與電子信息學院，湖北 武漢 430074；2．華中師范大學 物理科學與技術學院 湖北 武漢 430079；3．北京大學深圳研究生院 信息工程學院 廣東 深圳 518001；4．東北師范大學 物理學院 吉林 長春 130027；5．武漢大學 電氣工程學院 湖北 武漢 430072）

運算放大器是多種模擬電路系統(tǒng)以及通信信號處理系統(tǒng)電路中常用的重要器件之一。按反饋類型可以將運算放大器分為電流反饋型運放（CFOA）和電壓反饋型運放（VFOA）兩種。

傳統(tǒng)的運放均為電壓型（VFOA），以電壓作為輸入和輸出信號。當同相輸入端和反相輸入端有差值電壓時，電路產(chǎn)生響應，逐級放大后，獲得相應的輸出電壓。

電流型運算放大器（CFOA）以電流為輸入信號，以電壓為輸出信號。當其同相輸入端與反向輸入端產(chǎn)生差值電流時，電路產(chǎn)生響應，逐級放大后，最終轉換成電壓輸出。

文中所研究的運放為電流反饋型運放，由于具有更高的轉換速度和帶寬，適合應用于音頻、視頻、通訊設備以及高速網(wǎng)絡中。

1 電流型運放的特性

1.1 增益帶寬特性

以VFOA為標準部件的模擬網(wǎng)絡在模擬信號處理電路中獲得了廣泛應用，但它存在著明顯的缺點：VFOA構成的放大電路閉環(huán)增益與其-3 dB帶寬的乘積是常數(shù)，當帶寬向高頻區(qū)域擴展時，增益成比例下降；在大信號下輸出電壓的最高轉換速率很低，一般只有0．2～20 V/μS。這些固有缺點嚴重阻礙了VFOA在高速電路中的應用。新型電流型運放克服了這些缺陷。

圖1為電流型運放構成反相比例放大電路的等效電路結構，由圖及“虛短”、“虛斷”可以推導，圖所示的的增益表達式為：

圖1 電流型運放構成同相比例放大電路Fig．1 Same phase ratio amplifier circuit consisted of CFOA

由公式（3）可知，對于給定的器件，可用R2調節(jié)帶寬，用R2和R1控制閉環(huán)增益AVF，以實現(xiàn)二者的獨立調節(jié)，或者在不同的增益下基本實現(xiàn)恒定帶寬，這一點將與傳統(tǒng)電壓型運放的增益帶寬積為常量的性能完全不同。

1.2 壓擺率

典型電流型運放結構可以表示為圖2所示，在該結構中，影響壓擺率的是第二級兩個晶體管對補償電容CC和寄生電容的充電速度和電流大小。且有補償電容和寄生電容越小，充電的電流越大，則壓擺率越大。由于電流型運放中這兩個晶體管的電流是動態(tài)提供的，電流值沒有限制，在階躍或過載條件下，隨著晶體管電流的增加，過載條件迅速排出，因此電流型運放具有較高壓擺率。由于具有優(yōu)良的壓擺率性能，電流型運放在大信號處理方面具有明顯的優(yōu)勢，應用廣泛。

圖2 電流型運放的結構簡化圖Fig．2 Structure simplified diagram of CFOA

2 電流型運放在實際應用電路中的指標測試

2.1 負阻變換器

2.1.1 放大器實現(xiàn)負阻變換器

負阻現(xiàn)象指某些器件在某種條件下，當電流（或電壓）增加時電壓（或電流）反而減少的現(xiàn)象。可以用運算放大器構成負阻變換器（Negative Impedance Converter，NIC）實現(xiàn)負阻，如圖3所示。

圖3 運算放大器實現(xiàn)負阻器Fig．3 Negative impedance converter consists of operational amplifier

假設運算放大器是理想的，由于“虛短”和“虛斷”，有：

由以上分析可知，“虛短”和“虛斷”的成立是實現(xiàn)負阻變換的關鍵。要想相對于反饋電流忽略基極電流的影響，則應該使得反饋電流與基極電流之間存在如下關系：I˙3＞＞I˙+，I˙4＞＞I˙_。

2.1.2 電壓型運放實現(xiàn)負阻變換器測試

采用典型電壓型運放OPA227構造負阻變換器，測量電路中反饋電阻（以負反饋電阻R2為例）的線性范圍。如圖4所示，為電壓型運放組成的負阻變換器的負載線性曲線。由圖可知OPA227構成負阻變換器的負阻不宜太大或太小，一般范圍是100Ω～5 kΩ。

圖4 VFA構成負阻的負載特性曲線Fig．4 Load characteristic curve of the NICwhich consists of VFOA

2.1.3 電流型運放實現(xiàn)負阻變換器測試

由于電流型運算放大器具有較大的基極電流，而負阻器成立的條件是基極電流相對反饋電流可以忽略不計，因此理論上使用電流型運放構成負阻變換器，將會使得各負載電阻、比例系數(shù)、反饋電阻以及電源電壓指標具有相對較小的線性范圍。按照圖7的電路形式利用AD8009構成負阻變換器，在盡量保證基極電流相對反饋電流可忽略的條件下，反饋電阻阻值應偏小。圖5為AD8009構成負阻器的負載特性曲線。由圖可明顯看到，電流型運放構成的負阻變換器較電壓型運放組成的負阻變 換器在精度、線性度以及負載線性范圍等方面都有明顯的不足，即典型電流型運放不適合做負阻器件。這一點主要與電流型運放具有較大反相基極電流有關。

圖5 CFA構成負阻的負載特性曲線Fig．5 Load characteristic curve of the NIC which consists of VFOA

2.2 電壓跟隨器

在同相比例運算電路中，若將輸出電壓的全部反饋到反相輸入端，就構成電壓跟隨器。電壓跟隨器的顯著特點就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來說，輸入阻抗要達到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通常可以到幾歐姆，甚至更低。當輸入阻抗很高時，就相當于對前級電路開路；當輸出阻抗很低時，對后級電路就相當于一個恒壓源，即輸出電壓不受后級電路阻抗影響。因此，電壓跟隨器經(jīng)常起緩沖、隔離、提高帶載能力的作用。

2.2.1 電壓型運放實現(xiàn)電壓跟隨器測試

對于電壓型運算放大器而言，構成電壓跟隨器的電路如圖6所示，直接將放大器輸出端接到反相輸入端，形成單位增益放大器。以電壓型運放OPA227為例，構成電壓跟隨器，測量電路的頻率特性，繪制輸出頻率響應圖形如圖7所示。

圖6 VFOA構成電壓跟隨器電路Fig．6 Voltage followerwhich consists of VFOA

圖7 VFOA構成電壓跟隨器的頻率特性曲線Fig．7 Amplitude-frequency characteristic curve of the voltage follower which consists of VFOA

由圖11可知，電壓型運放構成電壓跟隨器時在低頻段具有較好的穩(wěn)定性，但是由于帶寬限制，工作頻率并不高，圖中由OPA227構成的電壓跟隨器的-3 dB帶寬約為7．8MHz。

2.2.2 電流型運放實現(xiàn)電壓跟隨器測試

由于電流型運算放大器反相輸入端的輸入電阻很低，RF不能為零，RF=0相當于輸出端直接與反相輸入端相連，這樣相當于輸出端短路，會使CFA過熱而燒毀，或導致過流過熱保護而無輸出。因此由電流型運放構成電壓跟隨器時，必須在放大器輸出端與反相輸入端之間串接一個電阻。

針對不同的電流型運算放大器，在構成電壓跟隨器時，反饋電阻的選擇對電路的跟隨特性、頻率特性等有較大影響。利用電流型運算放大器AD8009按圖8所示電路連接成電壓跟隨器。改變反饋電阻，測量電路頻率響應，得到圖9所示不同反饋電阻對應的電壓跟隨器的頻率響應曲線（只取頻率特性相對較好、頻帶相對較寬、精度相對較高的3條曲線展示）。

由圖9可知，由CFOA構成的電壓跟隨器，具有更寬的-3 dB帶寬，但其頻率特性不及VFOA構成的電壓跟隨器穩(wěn)定，且與反饋電阻的取值有一定的關系。實驗中，當電阻小于510Ω時，電路頻帶過寬，容易自激。分析附錄中的實驗數(shù)據(jù)以及圖示，可以知道，當反饋電阻取值過大，大于2 kΩ時，電路的頻率特性明顯變差，精度急速下滑，因此當運用電流反饋型運算放大器做電壓跟隨器時，一定要選擇合適的反饋電阻。

圖9 CFOA構成電壓跟隨器的頻率特性曲線Fig．9 Amplitude-frequency characteristic curve of the voltage follower which consists of CFOA

2.3 同相比例運算電路

如圖10所示為同相比例運算電路，電路引入了電壓串聯(lián)負反饋，故可以認為輸入電阻為無窮大，輸出電阻為零。根據(jù)“虛短”和“虛斷”的概念，集成運放的凈輸入電壓為零，即：

式（5）表明 uO與 uI同相且大于 uI。

圖10 同相比例放大電路Fig．10 Same phase ratio amplifier circuit

2.3.1 VFOA實現(xiàn)同相比例放大器測試

利用電壓反饋型運算放大器OPA227構成同相比例放大電路，保證反饋電阻阻值不變，測量不同增益下放大電路的帶寬特性。如圖11為電壓型運放增益帶寬特性曲線。

圖11 VFOA構成同相比例放大電路的頻率響應Fig．11 Amplitude-frequency characteristic curve of the same phase ratio amplifierwhich consists of VFOA

根據(jù)所測數(shù)據(jù)列出不同增益下VFOA同相比例放大器的帶寬如表1所示，計算增益帶寬積可知，VFOA構成比例放大器時，帶寬會隨著增益的增大成比例的變窄，這一缺陷限制了電壓型運放在高增益大帶寬要求下的應用。

表1 VFOA構成同相比例放大電路參數(shù)Tab.1 Param eters of the sam e phase amplifier circuit which consists of VFOA

2.3.2 CFOA實現(xiàn)同相比例放大器測試

利用電流反饋型運算放大器THS3121構成同相比例放大電路，保證反饋電阻阻值為1 kΩ不變，測量不同增益下放大電路的帶寬特性。如圖12為電流型運放增益帶寬特性曲線。

圖12 CFOA構成同相比例放大電路的頻率響應Fig．12 Amplitude-frequency characteristic curve of the same phase ratio amplifierwhich consists of CFOA

同理根據(jù)所測數(shù)據(jù)列出不同增益下同CFOA相比例放大器的帶寬如表2所示，分析數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著放大倍數(shù)的增加，CFOA構成的比例放大電路的-3 dB帶寬雖會在減小，但不及VFOA構成的比例放大電路明顯，且增益帶寬積斷然不可能是常數(shù)。因此可以說明，由電流反饋型運算放大器構成的比例放大器的帶寬并不會隨著增益的增大成比例變小。正是由于這一點，CFOA被廣泛應用在對頻率增益要求高的電路中。

表2 CFOA構成同相比例放大電路參數(shù)Tab.2 Param eters of the sam e phase amplifier circuit which consists of CFOA

3 結束語

文中通過理論推導和對實際電路的測試，發(fā)現(xiàn)電流型運放可以在增益較大的電路中保證較寬的帶寬，且具有很大的轉換速率，因此十分適用于高速電路。由于拓撲結構的差異，使用電流型運放構建電壓跟隨器的時候與使用電壓型運放的時候，電路結構存在差異，根據(jù)所用電流型運放芯片的不同合理選擇反饋電阻是保證良好電壓跟隨特性的關鍵。電流型運放的基極電流較大，因此不適合構建要求基極電流可以忽略的負阻變換器。本文小結了電流型運放的選型依據(jù)。在具體應用電路中，一定要結合應用電路及電流型運放的特性合理選擇芯片。

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