高速电流反馈运算放大器

CFB运算放大器简化电路和模型

现在，我们将详细考察高速运算放大器中非常流行的电流反馈(CFB)运算放大器拓扑结构。如前所述，电路概念虽然出现在数十年之前，但要充分发挥这种架构的优势，需要采用现代高速互补双极性工艺。众所周知，在双极型晶体管电路中，在所有其他条件相同的情况下，电流的切换速度快于电压。这构成了非饱和发射极耦合逻辑(ECL)和电流输出DAC等器件的基础。在电流开关节点维持低阻抗有助于降低杂散电容的影响，这是高速运行状态下最大的危害因素之一。电流镜很好地展示了如何在最少量的延迟下实现电流开关。


图1：简化版电流反馈(CFB)运算放大器

电流反馈运算放大器拓扑结构只是这些基本电流导引原理的应用。以上图1给出了简化的CFB运算放大器。同相输入端为高阻抗，并通过互补发射极跟随缓冲器Q1和Q2直接缓冲至反相输入端。注意，反相输出阻抗极低(一般为10至100 Ω)，这是低发射极电阻造成的(理想状况下为零)。这是CFB与VFB运算放大器之间的一个基本差异，同时也CFB运算放大器的一个特性，使其具有了某些特有的优势。

Q1和Q2的集电极输出驱动着电流镜，而电流镜则将反相输入电流映射到高阻抗节点，分别表示为RT和CP。高阻抗节点由一个互补单位增益发射极跟随器缓冲。从输出到反相输入的反馈发生作用，强制反相输入电流归零，这就是电流反馈这个术语的由来。注意，在理想状况下，对于零反相输入阻抗，该节点处不能存在小信号电压，只能存在小信号电流。

现在，考虑应用于CFB运算放大器同相输入端的一个正阶跃电压。Q1将立即将一个成比例的电流送入外部反馈电阻，从而形成一个误差电流，而Q3则会将该误差电流映射至高阻抗节点。在高阻抗节点处形成的电压等于该电流与等效阻抗之积。这个术语跨导运算放大器正是源于此，因为传递函数为一个阻抗，而不是像传统VFB运算放大器那样，是一个无单位的电压比值。

同时注意，传递至高阻抗节点的误差电流不受输入级尾电流的限制。换言之，不同于常规VFB运算放大器，理想的CFB运算放大器中不存在压摆率限制。电流镜从电源按需提供流。在此基础上，负反馈环路强制使输出电压达到某个值，从而将反相输出误差电流归零。CFB运算放大器的模型如图2所示，其中同时给出了相应的波特图。波特图是按对数-对数
比例尺绘制的，开环增益表示为一个跨导T(s)，其单位为欧姆。


图2：CFB运算放大器模型与波特图



仔细考察该等式，很快就会发现，CFB运算放大器的闭环带宽取决于内部的主极点电容CP和外部反馈电阻R2，并且独立于增益设置电阻R1。独立于增益维持带宽恒定的这种能力使得CFB运算放大器成为宽带可编程增益放大器的理想选择。

由于闭环带宽与外部反馈电阻R2成反比，因此，CFB运算放大器通常是针对特定R2而优化的。从最佳值开始增加R2的值，结果会降低带宽，而降低该值则可能导致振荡和不稳定，这是高频寄生极点所致。

现代CFB运算放大器的性能

CFB运算放大器AD8011在各种闭环增益值(+1、+2和+10)下的频率响应如图3所示。注意，即使是在增益为+10时，闭环带宽仍然大于100 MHz。在增益为+1时发生的峰值现象是宽带CFB运算放大器用于同相模式时的典型特性，其主要原因是反相输入端存在杂散电容。可以通过牺牲带宽来减少这种峰值现象，其方法是使用一个略大的反馈电阻。


图3：AD8011 频率响应，G = +1、+2、+10

AD8011 CFB运算放大器(1995年推出)仍然代表着最佳性能，其主要规格如下面的图4所示。


图4：AD8011的主要技术规格

CFB运算放大器拓扑结构的进步

传统电流反馈运算放大器使用电流镜，限制为一个单一的增益级。AD8011(以及该系列中的其他成员)与传统CFB运算放大器不一样，采用二级增益配置，如下面的图5所示。


图5：简化的二级电流反馈运算放大器

在AD8011问世以前，完全互补型二增益级CFB运算放大器未达到实用水平，因为其功耗过高。AD8011采用一种专利第二增益级，由一对互补放大器(Q3和Q4)构成。注意，这对放大器并未作为电流镜连接，而是作为接地发射极增益级连接。电流源(I1和I2)的详细设计以及其各自的偏置电流是二级CFB电路成功的关键；它们可以使放大器的静态功耗保持
于低位，同时却能为快速压摆期间所需要的宽电流偏移按需提供电流。二级放大器的另一个优势是其总带宽较高(功耗相同)，这意味着较低的失真以及驱动较大外部负载的能力。

图6简要总结了一些常见的电流反馈运算放大器。这些器件是按电源电流降序排列的。


图6：所选CFB运算放大器的性能

来源：ADI公司