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电流反馈运放大器工作原理的问题

时间:11-07 来源:互联网 点击:

个适当反馈电阻,用另一级增加增益。

问:我注意到CFA的电流噪声很高,这会不会在使用它时会受到限制?

答:你说得对。CFA反向输入端电流噪声比较高,大约为20~30pA/Hz。但是与类似的VFA相比较,CFA的输入电压噪声非常低,一般小于2nV/Hz,而且其反馈电阻也很小,通常小于1kΩ。在增益为1时,CFA的主要噪声源是流过反馈电阻的反向输入端的噪声电流。20pA/Hz的输入噪声电流和750Ω的RF在输出端产生的15nV/的电压噪声成为主要噪声源。当增益增加时(减小输入电阻RG),由输入电流噪声产生的输出电压噪声不会增加,这时运放的输入电压噪声成为主要噪声源。比如,当增益为10时,输入噪声电流在输出端产生的噪声电压折合到输入端仅为15nV/,用平方和的平方根(RSS)形式加到放大器的输入噪声电压上,这样总的输入噪声电压仅为25nV/(忽略电阻噪声)。因此在低噪声应用中,CFA是很吸引人的。

问:用CFA构成四电阻差动放大器会怎么样?会不会因CFA的两个输入端电阻不平衡而不适用于这类电路?

答:你问得好!这是对CFA常有的误解。CFA的两个输入端电阻确实不匹配,但理想差动放大器的传递函数照样可以用。两个输入电阻不相同会有什么样结果?低频时,四电阻差动放大器的CMR由外电阻比值匹配情决定,01%的电阻匹配相应的CMR约为66dB;高频时,要关心的问题是输入阻抗形成的时间常数的匹配。高速VFA通常具有匹配得非常好的输入电容,在1MHz时CMR柯达到60dB。由于CFA的输入级不平衡,其输入电容不可能匹配好。这意味着为减少时间常数失配,在某些运放的同相输入端须接一个外部电阻(100至200Ω)。如果仔细选择电阻,那么CFA也能产生与VFA相当的高频CMR。在牺牲一部分信号带的情况下外加手调电容可以进一步提高VFA和CFA的性能。若要求更高的性能,最好选择单片高速差动放大器,如AD830。无需电阻匹配,它在1MHz时CMR大于75dB,在10MHz时CMR约为53dB。

问:你认为用反馈电容调节放大器带宽情况会怎样?反相输入端低阻抗会不会使CFA对此节点上的旁路电容敏感性减小?容性负载情况又会怎样?

答:首先考虑在反馈环路上有一个电容的情况。对于VFA,在噪声增益范围内,会产生一个极点,但对CFA,在其反馈电阻范围内要出现一个极点和一个零点,如图4所示。请记住,反馈电阻与开环互阻交点处的相位裕度决定闭环稳定性。电容CF与RF并联后的反馈电阻为:
ZF(s)=[RF+RO(1+RFRG)]1+sCFRFRG
RORFRG+RFRO+RGRO1_sCFRF

图4 电容反馈电容的作用

极点出现在1/2πRFCF,零点出现在1/[2π(RF∥RG∥RO)CF]。如果ZF与ZOC 交点处频率太高,开环相移太大会引起不稳定。对于积分电路,若RF→∞,极点出现在低频处,在高频处几乎没有电阻限制环路增益,为限制环路高频增益,用一个电阻与积分电容串联用来限制高频环路增益,这样可以稳电流反馈积分器。CFA不适用于电抗反馈型滤波器结构,例如阻容并联的反馈滤波器,但用CFA构成的SallenKey滤波器除外,因为它被用作固定增益单元电路。总之,不希望在CFA的RF两端并接电容。另一个要考虑的问题是CFA的反向输入端旁路电容的影响。记得VFA,旁路电容会在噪声增益上建立一个零点,增加噪声增益与开环增益间的闭合速度(rate of closure),若不进行频率补偿,产生过大的相移会导致电路不稳定。对CFA,旁路电路有同样的影响,只不过此问题讲得较少。附加输入旁路电容的反馈电阻表达式可写作:

ZF(s)=[RF+RO(1+RFRG)][1+sC IN RFRGRO]RFRG+RFRO+RGRO]零点出现在1/[2π(RF∥RG∥RO)C ON ],见图5中f Z1 。这个零点使CFA产生和VFA一样的麻烦,只是由于反相输入阻抗低,零点的转折频率变高。考虑宽带VFA的RF=750Ω,RG=750Ω,C IN =10pF,在1/[2π(RF∥RG)C IN ]处的零点频率约为40MHz,RO为40Ω而其它电路参数完全相同的CFA将把零点抬高到400MHz左右。对于单位增益带宽都为500MHz的两种运放,VFA需要有反馈电容补偿,以减小C IN 的影响,同时要减小信号带宽。CFA虽然因零点会有一些附加的相移,但由于转折频率高十倍,受C IN 的影响就没有VFA那么大。CFA的信号带宽比VFA要大,若要求通带内平坦或脉冲响应最优,也可以进行补偿。为减小ZF和Z OL 之间的闭合速度,加一个小电容并联在RF上,就可以改善响应。要至少保证45°的相位裕度,应当选择反馈电容放到ZF与ZOL 相交的极点处,如图5中fP点。请不要忘记反馈电容所产生的高频零点f Z2 的影响。

图5 反相输入端旁路电容的作用

CFA中负载电容呈现出和VFA中一样的问题:增加误差

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