电流反馈放大器I的基本原理与应用

问。我不确定我理解电流反馈放大器与常规运算放大器相比如何工作。我听说无论增益如何，它们的带宽都是恒定的。这是如何运作的？它们是否与跨阻抗放大器相同？

A。在查看任何电路之前，我们先定义电压反馈，电流反馈和跨阻抗放大器。顾名思义，电压反馈是指闭环配置，其中误差信号是电压形式。传统运算放大器使用电压反馈，即它们的输入将响应电压变化并产生相应的输出电压。 电流反馈是指任何闭环配置，其中用于反馈的误差信号是电流形式。电流反馈运算放大器响应其输入端之一的误差电流而不是误差电压，并产生相应的输出电压。请注意，两个开环架构都实现了相同的闭环结果：零差分输入电压和零输入电流。理想的电压反馈放大器具有高阻抗输入，从而产生零输入电流，并使用电压反馈来维持零输入电压。相反，电流反馈运算放大器具有低阻抗输入，导致零输入电压，并使用电流反馈来维持零输入电流。

跨阻抗放大器的传递函数表示为相对于电流输入的电压输出。正如函数所暗示的那样，开环“增益”，v O / i IN ，以欧姆表示。因此，电流反馈运算放大器可称为跨阻抗 放大器。值得注意的是，电压反馈运算放大器电路的闭环关系也可以通过用电流驱动其动态低阻抗求和节点（例如，来自光电二极管）来配置为跨阻抗），从而产生等于输入电流乘以反馈电阻的电压输出。更有趣的是，由于理想情况下任何运算放大器应用都可以通过电压或电流反馈实现，因此可以使用电流反馈运算放大器实现相同的I-V转换器。当使用术语跨阻抗放大器时，要了解特定电流反馈运算放大器架构与任何像跨阻抗一样的闭环IV转换器电路之间的区别。

让我们来看看看一下电压反馈放大器的简化模型。同相增益配置通过开环增益 A（s）和馈电放大差分电压（V IN + - V IN - ）输出的一部分通过分压器返回到反相输入，该分压器由 R F 和 R G 组成。为了得到该电路的闭环传递函数， V o / V IN + ，假设没有电流流入运算放大器（无限大）输入阻抗）;两个输入将处于大约相同的电位（负反馈和高开环增益））。

使用

和

替换并简化以获取：

已关闭-loop带宽是环路增益LG的幅度下降到单位（0 dB）的频率。术语1 + R F / R G 称为电路的噪声增益;对于同相情况，它也是信号增益。在图形上，闭环带宽位于开环增益 A（s）与Bodé图中噪声增益NG的交点处。高噪声增益将降低环路增益，从而降低闭环带宽。如果 A（s）以20 dB /十倍频率滚降，则放大器的增益带宽积将保持不变。因此，闭环增益增加20 dB将使闭环带宽减少十年。

现在考虑电流反馈放大器的简化模型。同相输入是单位增益缓冲器的高阻抗输入，反相输入是其低阻抗输出端子。缓冲器允许误差电流流入或流出反相输入，单位增益迫使反相输入跟踪同相输入。误差电流镜像到高阻抗节点，在此节点将其转换为电压并在输出端进行缓冲。高阻抗节点是与频率相关的阻抗， Z（s），类似于电压反馈放大器的开环增益;它具有高直流值并以20 dB /十倍频率下降。

通过对V IN 节点处的电流求和，找到闭环传递函数，而缓冲器保持V IN + = V IN 。如果我们暂时假设缓冲器具有零输出电阻，则R o = 0

替换并求解V o < / sub> / V IN +

电流反馈放大器的闭环传递函数与电压反馈放大器相同，但环路增益（ 1 / LG）表达现在仅取决于R F ，反馈跨阻 - 而不是（1 + R F / R G ）。因此，电流反馈放大器的闭环带宽将随RF的值而变化，但不随噪声增益而变化，1 + R F / R G 。 R F 和 Z（s）的交点确定环路增益，从而确定电路的闭环带宽（参见Bodé图）。显然，增益带宽积不是恒定的 - 这是电流反馈的优势。

实际上，输入缓冲器的非理想输出电阻通常约为20到40欧姆，这将改变反馈互阻。两个输入电压不会完全相等。用 V IN = V IN + 代替前面的等式 - I err R o < / em>，求解 V o / V IN + yield：

反馈互阻的附加项意味着环路增益实际上在某种程度上取决于电路的闭环增益。在低增益时，R F 占主导地位，但在较高增益时，第二项将增加并减小环路增益，从而降低闭环带宽。

应该很清楚在R G 打开时（如在电压跟随器中）将输出短路回到反相输入将强制环路增益变得非常大。使用电压反馈放大器时，在反馈整个输出电压时会发生最大反馈，但电流反馈的限制是短路电流。电阻越低，电流越高。在图形上，R F = 0将在高阶极点区域给出 Z（s）和反馈跨阻抗的更高频率交点。与电压反馈放大器一样， Z（s）的高阶极点将在更高频率下引起更大的相移，导致相移> 180度时的不稳定性。由于R F 的最佳值将随闭环增益而变化，因此波特图可用于确定各种增益的带宽和相位裕度。可以以较低的相位裕度为代价获得较高的闭环带宽，从而导致频域中的峰值，以及时域中的过冲和振铃。电流反馈器件数据手册将列出各种增益设置的R F 的特定最佳值。

电流反馈放大器具有出色的摆率功能。虽然可以设计具有高压摆率的电压反馈放大器，但电流反馈架构固有地更快。轻负载的传统电压反馈放大器的压摆率受限于可用于对内部补偿电容进行充电和放电的电流。当输入经受大瞬态时，输入级将饱和，并且只有其尾电流可用于对补偿节点充电或放电。通过电流反馈放大器，低阻抗输入允许更高的瞬态电流根据需要流入放大器。内部电流镜将此输入电流传送到补偿节点，从理论上讲，允许快速充电和放电，与输入步长成比例。更快的压摆率将导致更快的上升时间，更低的压摆引起的失真和非线性，以及更宽的大信号频率响应。实际压摆率将受到电流镜饱和的限制，可能出现在10到15 mA之间，以及输入和输出缓冲器的压摆率限制。

问。直流精度怎么样？

A.电流反馈放大器的直流增益精度可以通过其传递函数计算，就像电压反馈放大器一样;它本质上是内部跨阻抗与反馈跨阻抗的比率。使用1兆欧的典型跨阻，1k欧姆的反馈电阻和40欧姆的R o ，单位增益的增益误差约为0.1％。在更高的收益，它会显着降低。电流反馈放大器很少用于高增益，特别是在需要绝对增益精度时。

然而，对于许多应用，建立特性比增益精度更重要。虽然电流反馈放大器具有非常快的上升时间，但由于热沉降尾部，许多数据表仅显示0.1％的建立时间 - 这是导致建立精度不足的主要原因。考虑上面的互补输入缓冲器，其中V IN 端子从V IN + 端子偏移Q1和之间的V BE 的差值。 Q3。当输入为零时，应匹配两个V BEs ，并且从V IN + 到V IN 的偏移量将很小。应用于V IN + 的正阶跃输入将导致Q3的V CE 减小，从而降低其功耗，从而增加其V BE 。二极管连接的Q1没有表现出V CE 变化，因此其V BE 不会改变。现在两个输入之间存在不同的偏移，降低了精度。在电流镜中可能会出现相同的效果，其中高阻抗节点的阶跃变化会改变V CE ，从而改变Q6的V BE ，但不会Q5。 V BE 的变化导致当前错误返回 V IN - ，乘以R F - 会导致输出偏移误差。每个晶体管的功耗发生在太小而不能实现器件之间的热耦合的区域中。在反相配置中使用放大器的应用中，可以减少输入级的热误差，从而消除共模输入电压。

问。在什么条件下热尾有问题？

A。这取决于涉及的频率和波形。热尾不会瞬间发生;晶体管的热系数（取决于工艺）将决定温度变化发生的时间并改变参数，然后恢复。例如，在ADI公司的高速互补双极（CB）工艺上制造的放大器，对于几kHz以上的输入频率，不会出现明显的热尾，因为输入信号变化太快。通信系统通常更关注频谱性能，因此热尾部可能引入的额外增益误差并不重要。当直流电平变化时，热尾部会对步进波形（例如成像应用中的步进波形）产生不利影响。对于这些应用，电流反馈放大器可能无法提供足够的建立精度。

第II部分将考虑使用电流反馈放大器的常见应用电路，并更详细地查看其操作。 < / p>