【導(dǎo)讀】我不確定我是否了解電流反饋放大器與常規(guī)運(yùn)算放大器相比是如何工作的。我聽說無論增益如何,它們的帶寬都是恒定的。這是怎么回事?它們與跨阻放大器相同嗎?
問。 我不確定我是否了解電流反饋放大器與常規(guī)運(yùn)算放大器相比是如何工作的。我聽說無論增益如何,它們的帶寬都是恒定的。這是怎么回事?它們與跨阻放大器相同嗎?
A.在查看任何電路之前,讓我們定義電壓反饋、電流反饋和跨阻放大器。電壓反饋,顧名思義,是指誤差信號(hào)為電壓形式的閉環(huán)配置。傳統(tǒng)運(yùn)算放大器使用電壓反饋,即其輸入將響應(yīng)電壓變化并產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電壓。電流反饋是指任何閉環(huán)配置,其中用于反饋的誤差信號(hào)以電流的形式出現(xiàn)。電流反饋型運(yùn)算放大器響應(yīng)其輸入端之一的誤差電流,而不是誤差電壓,并產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電壓。請(qǐng)注意,兩種開環(huán)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)相同的閉環(huán)結(jié)果:零差分輸入電壓和零輸入電流。理想的電壓反饋放大器具有高阻抗輸入,導(dǎo)致零輸入電流,并使用電壓反饋來維持零輸入電壓。相反,電流反饋運(yùn)算放大器具有低阻抗輸入,導(dǎo)致輸入電壓為零,并使用電流反饋來保持零輸入電流。
跨阻放大器的傳遞函數(shù)表示為相對(duì)于電流輸入的電壓輸出。正如函數(shù)所暗示的那樣,開環(huán)“增益”vO/iIN以歐姆表示。因此,電流反饋型運(yùn)算放大器可稱為跨阻放大器。值得注意的是,電壓反饋運(yùn)算放大器電路的閉環(huán)關(guān)系也可以配置為跨阻,方法是用電流(例如,來自光電二極管)驅(qū)動(dòng)其動(dòng)態(tài)低阻抗求和節(jié)點(diǎn),從而產(chǎn)生等于輸入電流乘以反饋電阻的電壓輸出。更有趣的是,由于理想情況下,任何運(yùn)算放大器應(yīng)用都可以通過電壓或電流反饋來實(shí)現(xiàn),因此相同的I-V轉(zhuǎn)換器也可以通過電流反饋運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)。使用術(shù)語(yǔ)跨阻放大器時(shí),請(qǐng)了解特定的電流反饋運(yùn)算放大器架構(gòu)與任何類似跨阻的閉環(huán)I-V轉(zhuǎn)換器電路之間的區(qū)別。
讓我們看一下電壓反饋放大器的簡(jiǎn)化模型。同相增益配置放大了差電壓(VIN+- 五HNL),通過開環(huán)增益A(s),并通過分壓器將部分輸出反饋回反相輸入,分壓器包括RF和RG.為了推導(dǎo)出該電路的閉環(huán)傳遞函數(shù),Vo/VIN+,假設(shè)沒有電流流入運(yùn)算放大器(無限輸入阻抗);兩個(gè)輸入將處于大致相同的電位(負(fù)反饋和高開環(huán)增益))。
閉環(huán)帶寬是環(huán)路增益LG幅度降至單位(0 dB)的頻率。術(shù)語(yǔ),1 + RF/RG,稱為電路的噪聲增益;對(duì)于同相情況,它也是信號(hào)增益。從圖形上看,閉環(huán)帶寬位于Bodé圖中開環(huán)增益A(s)和噪聲增益NG的交點(diǎn)處。高噪聲增益會(huì)降低環(huán)路增益,從而降低閉環(huán)帶寬。如果A(s)以20 dB/十倍頻程的速度滾降,放大器的增益帶寬積將是恒定的。因此,閉環(huán)增益增加20 dB將使閉環(huán)帶寬減少十倍頻程。
現(xiàn)在考慮電流反饋放大器的簡(jiǎn)化模型。同相輸入是單位增益緩沖器的高阻抗輸入,反相輸入是其低阻抗輸出端。緩沖器允許誤差電流流入或流出反相輸入,單位增益迫使反相輸入跟蹤同相輸入。誤差電流鏡像到高阻抗節(jié)點(diǎn),在那里轉(zhuǎn)換為電壓并在輸出端緩沖。高阻抗節(jié)點(diǎn)是頻率相關(guān)阻抗,Z(s),類似于電壓反饋放大器的開環(huán)增益;它具有高直流值,并以 20 dB/十倍頻程的速度滾降。
閉環(huán)傳遞函數(shù)是通過對(duì)V處的電流求和得到的在節(jié)點(diǎn),而緩沖區(qū)保持 VIN+= V在-.如果我們目前假設(shè)緩沖器的輸出電阻為零,則Ro= 0
電流反饋放大器的閉環(huán)傳遞函數(shù)與電壓反饋放大器相同,但環(huán)路增益(1/LG)表達(dá)式現(xiàn)在僅取決于RF,反饋跨電阻-而不是(1 + RF/RG).因此,電流反饋放大器的閉環(huán)帶寬隨RF值而變化,但隨噪聲增益1 + R而變化。F/RG.R的交集FZ(s)決定環(huán)路增益,從而決定電路的閉環(huán)帶寬(參見Bodé圖)。顯然,增益帶寬乘積不是恒定的,這是電流反饋的優(yōu)勢(shì)。
實(shí)際上,輸入緩沖器的非理想輸出電阻通常約為20至40歐姆,這將改變反饋跨電阻。兩個(gè)輸入電壓不會(huì)完全相等。用V在= VIN+? I犯 錯(cuò)Ro,并求解 Vo/VIN+收益 率:
反饋跨電阻中的附加項(xiàng)意味著環(huán)路增益實(shí)際上在某種程度上取決于電路的閉環(huán)增益。在低增益下,RF占主導(dǎo)地位,但在較高增益下,第二項(xiàng)將增加并降低環(huán)路增益,從而降低閉環(huán)帶寬。
應(yīng)該清楚的是,用R將輸出短路回反相輸入G開路(如電壓跟隨器)將迫使環(huán)路增益變得非常大。使用電壓反饋放大器時(shí),反饋整個(gè)輸出電壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生最大反饋,但電流反饋的極限是短路電流。電阻越低,電流就越高。圖形上,RF= 0 將給出 Z(s)和反饋跨電阻的更高頻率交集 - 在高階極點(diǎn)區(qū)域。與電壓反饋放大器一樣,Z(s)的高階極點(diǎn)將在較高頻率下引起更大的相移,從而導(dǎo)致相移>180度的不穩(wěn)定。因?yàn)镽的最佳值F會(huì)隨閉環(huán)增益而變化,波特圖可用于確定各種增益的帶寬和相位裕量。以較低的相位裕量為代價(jià)可以獲得更高的閉環(huán)帶寬,從而導(dǎo)致頻域中的峰值以及時(shí)域中的過沖和振鈴。電流反饋器件數(shù)據(jù)手冊(cè)將列出R的具體最佳值F適用于各種增益設(shè)置。
電流反饋放大器具有出色的壓擺率能力。雖然可以設(shè)計(jì)具有高壓擺率的電壓反饋放大器,但電流反饋架構(gòu)本身就更快。傳統(tǒng)的電壓反饋放大器在輕負(fù)載時(shí),其壓擺率受到可用于對(duì)內(nèi)部補(bǔ)償電容進(jìn)行充電和放電的電流的限制。當(dāng)輸入受到較大的瞬變時(shí),輸入級(jí)將飽和,只有其尾電流可用于對(duì)補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)進(jìn)行充電或放電。使用電流反饋放大器時(shí),低阻抗輸入允許更高的瞬態(tài)電流根據(jù)需要流入放大器。內(nèi)部電流鏡將此輸入電流傳送到補(bǔ)償節(jié)點(diǎn),理論上允許快速充電和放電,與輸入步長(zhǎng)成比例。更快的壓擺率將導(dǎo)致更快的上升時(shí)間、更低的壓擺引起的失真和非線性以及更寬的大信號(hào)頻率響應(yīng)。實(shí)際壓擺率將受到電流鏡飽和(可能發(fā)生在10至15 mA)以及輸入和輸出緩沖器的壓擺率限制的限制。
問。 直流精度如何?
A. 電流反饋放大器的直流增益精度可以通過其傳遞函數(shù)計(jì)算,就像電壓反饋放大器一樣;它本質(zhì)上是內(nèi)部跨電阻與反饋跨電阻的比率。使用 1 MOhms 的典型跨阻、1 k 歐姆的反饋電阻和 Ro在40歐姆中,單位增益處的增益誤差約為0.1%。在更高的增益下,它會(huì)顯著降低。電流反饋放大器很少用于高增益,特別是當(dāng)需要絕對(duì)增益精度時(shí)。
然而,對(duì)于許多應(yīng)用來說,建立特性比增益精度更重要。雖然電流反饋放大器的上升時(shí)間非???,但許多數(shù)據(jù)手冊(cè)的建立時(shí)間只能顯示0.1%,因?yàn)闊峤⑽彩侨狈⒕鹊闹饕???紤]上面的互補(bǔ)輸入緩沖器,其中 V在端子偏離 VIN+終端由 V 中的差值是在Q1和Q3之間。當(dāng)輸入為零時(shí),兩個(gè) VAEP應(yīng)該匹配,并且偏移量會(huì)很小IN+到 V在-.施加于 V 的正階躍輸入IN+將導(dǎo)致 V 降低行政長(zhǎng)官Q(mào)3,降低其功耗,從而增加其V是.二極管連接的Q1不顯示V行政長(zhǎng)官改變,所以它的V是不會(huì)改變?,F(xiàn)在,兩個(gè)輸入之間存在不同的偏移,從而降低了精度。在電流鏡中也會(huì)出現(xiàn)相同的效果,其中高阻抗節(jié)點(diǎn)的階躍變化會(huì)改變V行政長(zhǎng)官,因此 V是,第 6 季度,但不是第 5 季度。V的變化是導(dǎo)致當(dāng)前錯(cuò)誤回至V在-,乘以 RF-將導(dǎo)致輸出偏移錯(cuò)誤。每個(gè)晶體管的功耗發(fā)生在一個(gè)太小的區(qū)域,無法實(shí)現(xiàn)器件之間的熱耦合。在反相配置中使用放大器的應(yīng)用中,可以減少輸入級(jí)的熱誤差,從而消除了共模輸入電壓。
問。 在什么情況下熱尾是一個(gè)問題?
A. 這取決于所涉及的頻率和波形。熱尾不會(huì)立即發(fā)生;晶體管的熱系數(shù)(取決于工藝)將決定溫度變化發(fā)生并改變參數(shù)所需的時(shí)間,然后恢復(fù)。例如,采用ADI公司高速互補(bǔ)雙極性(CB)工藝制造的放大器在輸入頻率高于幾kHz時(shí)不會(huì)出現(xiàn)明顯的熱尾,因?yàn)檩斎胄盘?hào)變化太快。通信系統(tǒng)通常更關(guān)心頻譜性能,因此熱尾可能引入的額外增益誤差并不重要。當(dāng)直流電平發(fā)生變化時(shí),階躍波形(例如成像應(yīng)用中的階躍波形)可能會(huì)受到熱尾部的不利影響。對(duì)于這些應(yīng)用,電流反饋放大器可能無法提供足夠的建立精度。
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