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    在電壓反饋(VFB)和電流反饋(CFB)運算放大器之間選擇

      2021年06月18日  

      電流反饋和電壓反饋具有不同的應用優勢。在很多應用中,CFB和VFB的差異并不明顯。當今的許多高速CFB和VFB放大器在性能上不相上下,但各有其優缺點。本指南將考察與這兩種拓撲結構相關的重要考慮因素。

    VFB和CFB運算放大器的直流及運行考慮因素

      VFB運算放大器

      ● 對于要求高開環增益、低失調電壓和低偏置電流的精密低頻應用,VFB運算放大器是正確的選擇。高速雙極性輸入VFB運算放大器的輸入失調電壓很少進行微調,因為輸入級的失調電壓匹配十分出色,一般為1至3 mV,失調溫度系數為5至15μV/°C。在微調后,可實現低于20 μV的輸入失調電壓。采用自穩零架構的運算放大器可提供低于5 μV的失調電壓,但我們在此不予考慮。有關自穩零運算放大器的詳情,請參閱指南MT-055。

      ● VFB運算放大器上的輸入偏置電流(無輸入偏置電流補償電路)在(+)輸入端和(–)輸入端大致相等,范圍為1至5 μA。有的FET輸入運算放大器的輸入偏置電流不到200 fA,適用于靜電計等應用。(如AD549)。

      ? 因輸入偏置電流引起的輸出失調電壓可以歸零,其方法是反相和同相輸入端中的有效源電阻相等。這種方法對于偏置電流補償VFB運算放大器無效,因為這類放大器的輸入端有額外的電流誤差源。在這種情況下,凈輸入偏置電流不一定相等,也不一定具有相同的極性。

      ● VFB運算放大器在反饋網絡控制著整體響應的應用中十分有用,比如有源濾波器應用。然而,有些VFB運算放大器是經過非完全補償處理的,使用時必須超過其額定的最低閉環增益。

      ● VFB運算放大器的簡化模型是大家耳熟能詳的,所有模擬電子教材中都有論述。

      ● VFB架構適用于那些需要軌到軌輸入和輸出的低電源電壓應用。

      CFB運算放大器

      ● 另一方面,我們對電流反饋(CFB)運算放大器的了解較少,相關文獻也不多。許多設計師選擇VFB運算放大器,只是因為他們更了解這種放大器。

      ● CFB運算放大器的開環增益和精度一般低于精密VFB運算放大器。

      ● CFB運算放大器的反相和同相輸入阻抗不相等,而且CFB運算放大器的輸入偏置電流一般也是不相等且不相關的,因為(+)輸入端和(–)輸入端具有完全不同的架構。為此,外部偏置電流取消機制也不起作用。CFB輸入偏置電流的范圍為5至15 μA,在反相輸入端一般都較高。

      ● 由于CFB運算放大器一般是針對一個固定的反饋電阻值而優化的,因此,除設置閉環增益以外,其反饋網絡的靈活性顯得不足。這使得CFB運算放大器不適合多數有源濾波器,Sallen-Key濾波器除外,因為這種濾波器可以采用合適的固定反饋電阻進行設計。圖1總結了VFB和CFB運算放大器的直流及運行考慮因素。

      ● CFB架構確實適用于軌到軌輸入和輸出。

    VFB和CFB運算放大器的直流及運行考慮因素

      ? VFB運算放大器

      ● 高開環增益和直流精度

      ● 提供低失調電壓(<20 μV)

      ● 提供低偏置電流(JFET、CMOS或偏置電流補償) (<200 fA)

      ● 平衡輸入阻抗

      ● 靈活的反饋網絡

      ● 提供軌到軌輸入和輸出

      ? CFB運算放大器

      ● 較低的開環增益和直流精度

      ● 較高的失調電壓

      ● 反相輸入阻抗低,同相輸入阻抗高

      ● 輸入偏置電流不如VFB低,并且匹配程度不如VFB

      ● 實現最佳性能需使用固定反饋電阻

    VFB和CFB運算放大器的交流考慮因素

      VFB運算放大器

      ● VFB運算放大器的一個顯著特點是,它們可在較寬的頻率范圍內提供恒定的增益帶寬積。

      ● 另外,市場上有高帶寬、高壓擺率、低失真VFB運算放大器,其針對低靜態電流采用了“H橋”架構(指南MT-056)。

      ● VFB運算放大器適用于各類有源濾波器架構,因為其反饋網絡非常靈活。

      CFB運算放大器

      ● CFB拓撲結構主要用于對高帶寬、高壓擺率和低失真有極高要求的場合。有關CFB運算放大器交流特性的詳細討論,請參閱指南MT-057。

      ● 對于給定的互補性雙極性IC工藝,CFB一般可在相同量的靜態電流下產生比VFB高的FPBW(因而具有較低的失真)。這是因為CFB幾乎不存在壓擺率限制。為此,其全功率帶寬和小信號帶寬大約相同。然而,高速VFB運算放大器中使用的“H橋”架構在性能上幾乎與CFB運算放大器相當(指南MT-056)。

      ● 不同于VFB運算放大器,CFB運算放大器的反相輸入阻抗極低。在反相模式下將運算放大器作為I/V轉換器使用時,這是一種優勢,因為其對反相輸入電容的敏感度低于VFB。

      ● CFB運算放大器的閉環帶寬由內置電容以及外置反饋電阻的值決定,相對而言,是獨立于增益設置電阻的(即從反相輸入端到地的電阻)。這使得CFB運算放大器成為要求增益獨立帶寬的可編程增益應用的理想選擇。

      ● 由于CFB運算放大器必須配合一個固定反饋電阻使用,才能實現最佳穩定性,因此,在除Sallen-Key濾波器以外,它們作為有源濾波器的應用是十分有限的。

      ● 在CFB運算放大器中,其反饋電阻上較小的雜散電容值可能導致不穩定。

    VFB和CFB運算放大器的交流考慮因素

      ? VFB運算放大器

      ● 恒定的增益帶寬積

      ● 提供高壓擺率和高帶寬

      ● 提供低失真版本

      ● 靈活的反饋網絡

      ● 適合有源濾波器

      ? CFB運算放大器

      ● 各種閉環增益下的帶寬相對恒定

      ● 增益帶寬積不恒定

      ● 針對特定工藝和功耗提供略高的壓擺率和帶寬(相比VFB而言)

      ● 提供低失真版本

      ● 實現最佳性能需使用固定反饋電阻

      ● 雜散反饋電容導致不穩定

      ● 難以用于非Sallen-Key型有源濾波器

      ● 低反相輸入阻抗降低I/V轉換器應用中的輸入電容影響

    VFB和CFB運算放大器的噪聲考慮因素

      VFB運算放大器

      ● 市場上有些精密VFB運算放大器的輸入電壓噪聲不到1 nV/√Hz。多數JFET或CMOS輸入VFB運算放大器的輸入電流噪聲低于100 fA/√Hz,有些則低于1 fA/√Hz。然而,總輸出噪聲不但取決于這些值,同時也取決于閉環增益和反饋電阻的實際值(指南MT-049)。

      ● 對于VFB運算放大器,反相和同相輸入電流噪聲一般相等,而且幾乎總是不相關。寬帶雙極性VFB運算放大器的典型值范圍為0.5 pA/√Hz至5 pA/√Hz。當增加輸入偏置電流補償電路時,雙極性輸入級的輸入電流噪聲會提高,因為它們的電流噪聲不相關,因而會(以RRS方式)增加雙極性級的內生電流噪聲。然而,偏置電流補償很少用在高速運算放大器中。

      CFB運算放大器

      ● CFB運算放大器中的輸入電壓噪聲一般低于帶寬與之近似的VFB運算放大器。其原因在于,CFB運算放大器中的輸入級一般在較高的電流下工作,從而使發射極電阻下降,結果導致電壓噪聲降低。CFB運算放大器的典型值范圍為1至5 nV/√Hz。

      ● 然而,CFB運算放大器的輸入電流噪聲一般大于VFB運算放大器,因為其偏置電流普遍較高。CFB運算放大器的反相電流噪聲和同相電流噪聲通常不同,因為它們采用的是獨特的輸入架構,二者表示為獨立的規格參數。多數情況下,反相輸入電流噪聲是二者中較大者。CFB運算放大器的典型輸入電流范圍為5至40 pA/√Hz。這往往可能占據主導地位,但在電壓噪聲占主導地位的超高閉環增益下除外。

      計算噪聲的最佳方法是寫一個簡單的電子表格計算程序,以自動進行計算,其中要包括所有噪聲源。在指南MT-049 中討論的等式可用于該目的。

    VFB和CFB運算放大器的噪聲考慮因素

      ? VFB運算放大器

      ● 提供低電壓噪聲( < 1 nV/√Hz)

      ● 提供低電流噪聲(JFET和CMOS輸入)

      ● 反相和同相輸入電流噪聲相等且不相關

      ● 計算總噪聲時必須考慮反饋網絡和外部電阻值

      ? CFB運算放大器

      ● 低電壓噪聲(1至5 nV/√Hz)

      ● 較高的電流噪聲(5至40 pA/√Hz)通常是主要因素

      ● 計算總噪聲時必須考慮反饋網絡和外部電阻值

    總結

      對于多數通用或高精度低頻、低噪聲應用,VFB運算放大器通常是最佳選擇。VFB運算放大器也非常適合單電源應用,因為許多此類放大器提供軌到軌輸入和輸出。

      VFB運算放大器具有極為靈活的反饋網絡,因而適用于有源濾波器設計。

      CFB運算放大器具有最佳帶寬、壓擺率和失真性能,但犧牲的是直流性能、噪聲以及使用固定值反饋電阻的要求。CFB運算放大器在有源濾波器中的應用僅限于Sallen-Key等同相配置。

      ? 選擇VFB運算放大器可獲得下列優點

      ● 高精度、低噪聲、低帶寬

      ● 軌到軌輸入和輸出

      ● 反饋網絡靈活性

      ● 有源濾波器

      ? 選擇CFB運算放大器可獲得下列優點

      ● 超高帶寬、壓擺率和極低失真

      ● 不同增益下的帶寬相對恒定

      ● Sallen-Key有源濾波器

      參考文獻

      1. Hank Zumbahlen, Basic Linear Design, Analog Devices, 2006, ISBN: 0-915550-28-1.另見Linear Circuit Design Handbook, Elsevier-Newnes, 2008, ISBN-10: 0750687037, ISBN-13: 978-0750687034.Chapter 1.

      2. Walter G. Jung, Op Amp Applications, Analog Devices, 2002, ISBN 0-916550-26-5,另見Op Amp Applications Handbook, Elsevier/Newnes, 2005, ISBN 0-7506-7844-5.Chapter 1.

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