（微电子学与固体电子学专业论文）差分电流反馈放大器的研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 近年来，电流反馈运算放大器( c f o a ) 因为其潜在的宽带、高转换速率 和增益几乎与带宽独立的调节性能引起了模拟和混合信号集成电路应用领域 专家学者的极大关注。典型的c f o a 由一个电流传输器和一个电压缓冲器构 成。 第二代电流传输器( t h es e c o n dg e n e r a t i o nc u r r e n tc o n v e y o r ，c c i i ) 作为 最重要和最通用的有源积木块被广泛应用于仪器仪表和通信系统等电子电路 中。现今，c c i i 在诸如有源滤波器、模拟信号处理、a d 和d a 转换器等方面 已逐渐取代了传统的电压运放。c c i i 的性能优劣主要取决于电流传输精度、电 压跟随能力和电流输出驱动能力，因此，实现c c i i 的高精度与高驱动能力就必 须采用合适的电路结构。 本文在1 5v 供电电压下，设计了一种电压跟随能力强和电流传输精度高 的第二代正向差分式电流传输器( c c i i + ) ，并在此基础上构成了一种性能较高 的能够实现双端同时差分输入的c f o a 。设计中，通过采用a b 类推挽输出方式， 达到了降低静态功耗和提高电流驱动能力的目的；采用线性跨导原理，有效的 提高了电路的输入输出摆幅并且实现了电压的差分输入。应用密勒电容与调零 电阻串联的补偿方式，有效地改善了c c i i + 的频率响应特性，并分析了a b 输出 级晶体管对静态电流的影响作用。 本文设计的电路采用t s m c0 3 5 斗mc m o s 工艺，利用l t s p i c e 软件对整个 电路进行了仿真，仿真结果表明，该c c i i + 的电压跟随误差仅0 0 5 3 4d b ，3d b 带宽达到2 6 3m h z ，电流传输误差为o 0 0 7d b ，3d b 带宽达到6 8m h z ，x 端输 入电阻低于5 0 【2 ，电流驱动能力为一0 6 2m a 1 0 7m a ，电路功耗 3 m w 。 c f o a 获得了与增益关系不大的带宽特性，2 7 2m h z 的单位增益带宽，3 0 7 7 v g s 的转换速率，以及不超过4m w 的静态功耗。 关键词：差分输入；电流模；第二代电流传输器；电流反馈运算放大器 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ec u r r e n tf e e d b a c ko p e r a t i o n a la m p l i f i e r ( c f o a ) h a s g a i n e d t h ea t t e n t i o no fr e s e a r c h e r si nt h ef i e l do fa n a l o ga n dm i x e d s i g n a l i n t e g r a t e dc i r c u i t ( i c ) a p p l i c a t i o n sf o rt h e i rh i g hp o t e n t i a lb a n d w i d t h ，h i g hs l e w r a t e ，a n dn e a rg a i n - i n d e p e n d e n tb a n d w i d t h c f o a s a r et y p i c a l l yb u i l tb y c a s c a d i n gap o s i t i v ec u r r e n tc o n v e y o rw i t hav o l t a g eb u f f e r t h es e c o n dg e n e r a t i o nc u r r e n tc o n v e y o r ( c c i i ) h a sb e e nu s e da st h em o s t i m p o r t a n ta n dv e r s a t i l ea c t i v eb u i l d i n gb l o c ki nav a r i e t yo fe l e c t r o n i cc i r c u i ti n i n s t r u m e n t a t i o na n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t o d a yt h e yr e p l a c et h ec o n v e n t i o n a l o p a m pi ns om a n ya p p l i c a t i o n ss u c ha sa c t i v ef i l t e r s ，a n a l o gs i g n a lp r o c e s s i n g ， a n da d d ac o n v e r t e r s t h ef u n c t i o no fc c i ii sm a i n l yd e c i d e db yt h ea c c u r a c y o fc u r r e n ta n dv o l t a g et r a n s f e r ，s ow em u s ta d o p tt h ef i tc i r c u i ts t r u c t u r et oa c h ie v e a na c c u r a t ev o l t a g ec o n t r o la n dh i g hc u r r e n td r i v i n gc a p a b i l i t y i nt h i sp a p e r ，an o v e lc m o sd i f f e r e t i a lp o s i t i v es e c o n dg e n e r a t i o nc u r r e n t c o n v e y o r ( c c i i + ) w i t ha 1 5vp o w e rs u p p l yi sp r e s e n t e dw h i c ha c h i e v e sa n a c c u r a t ev o l t a g et r a n s f e ra n dd i s s i p a t e sl e s sp o w e r w ea l s od e s i g nah i g h p e r f o r m a n c ec f o am a k i n gu s eo ft h ec c i i + i ti sb a s e do nat w o s t a g ec m o s d i f f e r e n t i a lo p e r a t i o n a la m p l i f i e ra n da l s op r o v i d e sa c c u r a t ec u r r e n ta n dv o l t a g e c o n t r 0 1 i ta l s oa d o p t st h el i n e a r lc o n d u c t a n c es t r u c t u r et oi m p r o v et h eo u t p u t s i g n a ls w i n ga n di n p u tc o m m o nm o d er a n g e t h a n k st oi t ss i m p l ec i r c u i tt o p o l o g y w i t hac l a s sa bo u t p u ts t a g e ，t h ep r o p o s e dc c i i + h a sah i g hc u r r e n td r i v i n g c a p a b i l i t ya n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n t h ef r e q u e n c yr e s p o n s ep r o p e r t i e s i s e f f e c t i v e l yi m p r o v e db yu s i n gc o m p e n s a t i o nc i r c u i tc o n s i s t i n go fm i l l e rc a p a c i t o r s a n dz e r o i n gr e s i s t o r s i na d d i t i o n ，t h ei m p a c to fc l a s sa bt r a n s i s t o r so nt h e s t a n d b yc u r r e n ti sa n a l y z e d s i m u l a t i o nr e s u l t su s i n gl t p i c ew i t hc s m c0 3 5r t mt e c h n o l o g ya r ea l s o p r e s e n t e d ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec c i i + h a sa c h i e v e dav o l t a g et r a n s f e r e r r o re q u a lt oa0 0 5 3 4d bw i t h 3d bf r e q u e n c yo fa b o u t6 8m h za n dt h ec u r r e n t t r a n s f e re r r o ri s0 0 0 7d bw i t h 3d bf r e q u e n c yo f2 7 2m h z m o r e o v e r ，t h e r e s i s t a n c ea tt e r m i n a lxi sa sl o wa s5 0q ，c u r r e n td r i v i n gc a p a b i l i t yi sf r o m o 6 2 m at o1 0 7m aw i t hap o w e rc o n s u m p t i o no fo n l y2 r o w ；s i m u l a t i o nr e s u l t sa l s o s h o wt h a tt h ec f o ah a so b t a i n e dn e a rg a i n i n d e p e n d e n tb a n d w i d t h ，2 6 3 m h z u n i t yg a i nb a n d w i d t h ，3 0 7 7v i _ t ss l e w r a t ea n dp o w e rc o n s u m p t i o na r o u n d3m w k e yw o r d s ：d i f f e r e n t i a li n p u t ；c u r r e n tm o d e l ；s e c o n dg e n e r a t i o n c u r r e n t c o n v e y o r ； c f o a 西南交通大学四南父迥大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 刀 2 不保密订，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“v ”) 学位论文作者签名：厂技君刍 指导老师签名： 日期：夕加缶肌b 形以 日期：f 。身钥弓b 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) 采用a b 类推挽输出方式，达到了降低静态功耗和提高电流驱动 能力的目的，并分析了a b 输出级晶体管对静态功耗的优化作用。 采用双端差分输入的全新电流反馈放大器结构 应用密勒电容与调零电阻串联的补偿方式，有效地改善了c c i i + 的频率响应特性。 采用线性跨导原理来增加输入输出电压的线性范围 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本 人承担。 学位论文作者签名： r 餐腑 j 日期：伽f 。拟； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 电流反馈运算放大器( c u r r e n tf e e d b a c ko p e r a t i o n a la m p l i f i e r , 简称c f o a ) 又称跨阻运算放大器，它具有极佳的性能优点，其线性地处理大幅度、高频率 信号的能力远优于电压反馈运算放大器 1 - 9 ( v o l t a g ef e e d b a c ko p e r a t i o n a l a m p l i f i e r ，简称v f o a 或v f a ) 。c f o a 良好的动态特性突破了一些传统难题对 常规v f o a 的困扰，具有明显的实用和理论价值，引起了电路与系统学术界的 极大兴趣。 1 2本论文研究背景与意义 电流反馈放大器( c f o a ) 是近几年来模拟集成电路领域的一个热点课题， 以电流为处理对象的电路早在六十年代就已经提出【l0 1 ，但是当时人们对于信号 处理速度上的关注远没有运算精度那么大，另外c f o a 在使用上也有自身的问 题，它的输入端口与传统的运算放大器不一样，在电路接法上有一定限制，因 此，过去人们基于方便和实用上的考虑一般会选用传统的电压放大器( v f a ) 。 但是随着近二十年来视频、通信技术的迅猛发展，人们对于运算放大器的处理 速度需求越来越高，而传统运放的一些先天缺陷就成了其性能的瓶颈。首先， 传统运算放大器有增益带宽积的限制，因此当需要一定的放大倍速又希望保 持较高的带宽时传统运放常常显得无能为力。其次，传统运放在结构上倾向于 采用长尾差分对作为输入级，因此在大信号处理中摆率会受到线性限制，再者 在电压处理过程中必须采用高阻抗节点来确保运放精度以及提高稳定性，这不 可避免地降低了信号处理的速度。而相比之下c f o a 的信号处理速度要快得 多。 在牺牲了直流精度的情况下c f o a 有以下优点【1 1 】- 【1 5 】( 1 ) 高摆率，这是其 电路结构的特性所决定的，如图1 1 ，该电路不像传统的电压放大器输入端由 差分电路构成，这样就避免了摆率的限制。如果信号从y 端输入，大信号范围 下由于电路没有长尾电流源做负载的差分对，管子仍然可以工作在饱和区，于 是在理想状况下摆率为无穷大，因此特别适合应用在a d d a ，视频信号处理 等对信号处理速度要求较高的应用中。( 2 ) 全电路的节点阻抗都不高，因此有 着较高的3 d b 带宽。从电路上可以看出仅z 端存在高阻抗，而且一般为保证 速度，z 端不会采用共源共栅结构，因此该输出节点要远远小于传统放大器的 输出节点。( 3 ) 没有共源共栅电路，可应用与低压高速的环境中。( 4 ) 理论上 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 可以在闭环增益一定情况下无限拓展带宽。 y x = 图1 1c f o a 等效电路模型 u t 总而言之c f o a 在牺牲直流精度的情况下换来更大摆率，带宽以及带宽与 闭环增益无关的特性。虽然c f o a 直流精度没有v f a 高，在不损失太大的动 态范围下它们足够用来做视频应用。另外由于c o f a 的摆率不会像v f a 那样 受线性斜率的影响，因此会有更快的输入输出信号上升下降时间以及更少的 电路模块干扰。 c f o a 概念首先由c o m l i n e a rc o r p o r a t i o n 公司的d a v i dn e l s o n 提出，用的 是如图1 2 所示的结构，同相输入端显高阻抗形式，反相输入端电压将跟随同 相输入端，而输出端的电流将跟随同相输入端。该电路的拓扑结构一直沿用至 今。 - 叫蛳啊- 咐- _ n m 厶v 0 口w a _ a - 嘲_ 哪巾咖 图1 2 传统c f o a 电路图 m o s 管输入端阻抗接近无穷大的特性使得c f o a 的同相端可以真正达到 无穷大。虽然在传输速度上不及b j t 管，但是其体积、功耗上的优越性使得 c o m s 管构成的c f o a 逐渐替代了b j t 管的c f o a 。由c m o s 管构成的c f o a 电路结构与b j t 管基本相似，仅仅是将管子替换一下，并不需要太大的改动。 c o m l i n e a r 公司在1 9 8 5 年用多芯片混合组装工艺做出第一个c f o a ，主要 产品有o p 16 0 a d 8 4 4 等，19 8 7 年以后，c o m l i n e a r 、e l a n t e c 、a n a l o gd e v i c e s 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 等公司相继推出单片工艺c f o a 1 6 】。2 0 0 4 年德州仪器( t i ) 宣布推出一款来自 其b u r r b r o w n 产品线的低功耗、电流反馈放大器。该产品线能够在低增益与 高增益情况下提供良好带宽性能。当增益较高( g = + 8 ) 时，o p a 6 9 5 可提供 4 3 0 0 v 1 js 的转换率以及大于4 5 0 m h z 的带宽。低增益情况下能够以2 5 0 0 v us 的转换率提供高达1 4 g h z 的带宽。另外在2 0 0 6 年，德州仪器( t e x a s i n s t r u m e n t s ) 再次推出了一种低功耗超宽带宽c f o a m o p a 6 5 8 ，此款运放功耗 仅为5 0 m w ，带宽为9 0 0 m h z ，转换速率为17 0 0 v l as ，输出电流为8 0 m a 。 即使在很高的增益情况下，仍可以达到超宽的带宽。目前世界上几大著名的模 拟电子公司如a d vl i n e a r ，m a x i m ，a n a l o gd e v i c e s n a t i o n a ls e m i c o n d u c o r , m o t o r a l a ，l t c ，s t 等等都推出了性能优异的多种相关产品，世界上此类产品多 为这几大公司所垄断。 国内在c f o a 的设计与研制方面处于起步阶段，主要限于理论分析和研究。 2 0 0 1 年，天津大学赵玉山、周跃庆和王萍编撰了电流模式电子电路，系统 地介绍了电流模法及c f o a 原理；湖南大学、湖南师范大学、湘潭大学和吉林 大学等高校在基于c f o a 的有源网络元件和模拟信号运算电路方面展开了深 入研究与探讨，取得了一些可喜的成绩。当然，国内也有个别厂家和研究所推 出c f o a 成品，可惜仅局限于对国外某款名机的仿制。值得注意的是，许多电 流反馈放大器设计的理论基础在多年以前就已奠定了，但只是在最近随着真正 互补双极工艺技术的发展，这些器件才能得以实现。2 0 0 2 年以后，国内c f o a 的研究趋于停滞，但内部核心结构电流传输器仍在继续研究中，特别是基于第 二代电流传输器( c c i i ) 电路基础上，大量改进的c c i i 相继被提出，如：双 输出电流传输器( d o c c i i ) l l7 l ，多输出电流传输器( m o c c i i ) 【l 引、差分电压 式电流传输器( d v c c i i ) 【”】，差动差分式c c i i ( d d c c i i ) 【2 0 1 、第二代电流控 制电流传输器( c c c i i ) 【2 、全平衡模式电流传输器( f b c c i i ) 2 2 等。这些 电流传输器为c f o a 的进一步研究与设计提供了良好的理论基础。 c f o a 电路的主要部分来源于前两级，即电压跟随级以及电流跟随级，这 两级一般由第二代电流传输器( c c i i ) 构成( 图1 2 ) 。在很长一段时间内， 信号只能从c f o a 的一个端口输入，即c f o a 仅有单端输入的功能。当信号源 一端存在较大噪声时该电路对于噪声抑制就显得无能为力了。比如在模拟数 字混合电路中，容易产生非理想信号，而且由于时钟信号的馈送和电荷的注入 使数字电路模块产生噪声，该噪声不仅影响数字电路模块，而且通过衬底串扰、 电路耦合等方式影响模拟电路部分和射频电路部分。这些非理想信号和噪声都 是以共模信号的形式出现，为滤去这些非理想信号和噪声，采用双端输入的电 路结构方式是很有必要的。这些电流不仅能达到信号双端输入的目的，而且还 能提供双端输出接口，它们有较强的噪声抑制及偶次谐波畸变抑制能力，较宽 的输入动态范围，可有效降低各种不同模块间的耦合效应。差动差分式c c i i ( d d c c i i ) ，全差分式c c i i ( f d c c i i ) 。特别是全平衡式c c i i ( f b c c i i ) 的提 出，更是大大改进了传统的c c i i 的特性。f b c c i i 有较强的噪声抑制及偶次谐 波畸变抑制能力，较宽的输入动态范围，可有效降低各种不同模块间的耦合效 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 应，特别是在现代模数混合系统中，全平衡式c c i i 更显重要。另一方面，电 流控制传输器( c c c i i ) 2 3 】的提出也无疑是电流传输器发展中的一个里程碑， 它的提出解决了由于x 端寄生电阻导致的x 、y 端的电压传输误差。c c c i i 的 输入输出特性与c c i i 类似，只是其内部多了一个可调电阻，其思想是利用x 端寄生电阻的大小由电流传输器内部偏置电流决定这原理，实现电调谐的特 性。这样的特性使c c c i i 有了与o t a 相同的特性即元件本身自行产生一电阻 效应，于是使设计者在设计电路时可以减少无源元件的使用，有利于大规模电 路的集成。但是它们的缺点就是电路较为复杂，且不好调偏置，如图1 3 的电 路【2 z j 甚至用到了b j t 管来得到更好的传输特性，但是这无疑会增加整个电路 的芯片面积。 图1 3f d c c i i 电路图 本文力图提供一种更为简单、易于设计的全c m o s 双端输入c f o a 结构， 其目的就是在满足普通c f o a 的基本功能外还能够提供双端输入信号的功能， 并且提供更大的线性输入输出范围。 1 3本论文的主要研究内容 提出了一种新型差分式电流反馈放大器，该放大器满足一般电流反馈放大 器的特点，并且相对于以往的单端输入放大器有更好的线性输入范围，具有极 强的共模信号、偶次谐波抑制能力。具有功耗低、易集成、抗干扰能力强等特 点。该放大器设计包括双端输入电流传输器设计以及输出级设计。采用了线性 跨导原理来改善电流传输器的线性范围。全部器件由m o s 管构成，除具备功 耗低的特点外还可以采用c m o s 工艺轻松集成。 1 4本论文的主要工作和内容安排 第一章主要介绍了本论文的选题背景与意义，简要介绍了c f o a 电路相对 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 传统电压反馈放大器的优点以及电流反馈运算放大器的基本知识。 第二章从电流反馈运算放大器的拓扑结构出发，在其模型电路的基础上， 介绍了电流反馈运算放大器的工作原理及其闭环特性。 第三章介绍了电流传输器相关理论和概念，设计了种能够采用双端输 入、电压跟随能力强、电流传输精度高的第二代正向电流传输器，分析了a b 类推挽输出的低功耗原理，并在此基础上构成了一种性能较高的电流反馈运算 放大器。并且对其进行了s p i c e 仿真。 第四章采用t s m c0 3 51 t mc m o s 工艺参数模型，用s p i c e 软件对设计电 流反馈运算放大器的各项性能进行了模拟仿真，仿真结果说明了本文设计的可 行性。 第五章为总结与展望，首先对本文所做工作进行总结，得出本文的结论。 同时分析了在所研究问题上的不足和缺点，并确定今后的研究和工作方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章电流反馈运算放大器的原理 本章主要介绍电流反馈放大器的基本原理。将其与传统的电压反馈放大器 比较，分析这两种放大器的相同点与不同点。随后着重分析电流在反馈当中的 应用，指出实际当中的c f o a 内部存在的非理想元件对电路应用造成的影响， 分析主要涉及带宽、稳定性和电压放大精度以及它们之间相互制约的关系。 2 1c f o a 与v f a 的比较 2 1 1 闭环特性 如图2 1 所示，两种运算放大器c f o a 与v f a ( 传统电压反馈放大器) 的反 馈电路在接法上没有任何差别。当它们都为理想运算放大器时( 放大倍数为无 穷大，无带宽限制) ，反相放大和同相放大结构的基本电路图及其增益计算都 是相同的。当放大器的放大倍数有带宽限制时，c f o a 与v f a 的增益计算有 着明显的不同。v f a 的增益与3 d b 带宽的乘积是一个常数，当增益线性改变 的时候带宽也随之向相反的方向线性改变，即增益增大带宽变小，增益变小带 宽变大。c f o a 增益与带宽的关系要复杂得多。从结果上看虽然c f o a 在反馈 的接法上与v f a 是一样的，但是其带宽仅与r f 有关，3 d b 带宽随r f 的减小 而增大。因为增益不是r 。的函数所以增益与带宽在理论上无关。但是，c f o a 带宽不是无限增大的，实际上图2 1 两种电路的一3 d b 带宽到达一定程度就不再 增加，这是由于放大器寄生电容以及寄生电阻带来的二阶效应的影响，这些在 文中都会有详细介绍。 ( a )( b ) 图2 1 反馈电路的两种不同接法( a ) 同相端输入( b ) 反相端输入 2 1 2 开环特性 一般来讲v f a 放大器比c f o a 放大器具有更好的直流参数。v f a 放大器 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 具有更好的直流性能。v f a 放大器输入级的结构保证了其具有更好的直流特 性。v f a 放大器的输入级通常是一个简单的差分对，两个同样的双极晶体管 处于相同的偏置电流和电压，由7 于两个输入端对称，这种结构通常叫做平衡电 路。由于这种结构是对称的，如果这两个晶体管匹配，将不会产生失调电压 1 8 】。大多数v f a 放大器都具有以下特点：低输入失调电压( v i o ) ，匹配的输入 偏置电流( i b ) ，高的电源电压抑制比( p s r r ) ，以及良好的共模抑制比 ( c m r r ) 。 图2 2 是由b j t 构成的v f a ，该v f a 的两个输入端是两个相互匹配的晶 体管的基极。虽然基极电流( 偏置电流) 的绝对大小会随工艺及温度的变化而发 生改变，但由于两个晶体管的变化是相同的，所以，输入偏置电流仍然可以得 到较好的匹配。当电源电压或共模输入电压发生变化时，器件的工作点发生变 化，这会影响失调电压。但由于v f a 这种平衡结构，对于这两个晶体管来说， 其c e 之间的电压变化是相同的，使偏置电流的变化能够相互抵消，所以对失 调电压的影响很小，因而它具有良好的c m r r 和p s r r 。 v i n 图2 - 2b j t 差分对构成的v f a 图2 - 3c f o a 电路图 o l r r 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 c f o a 放大器的输入级将导致c f o a 放大器产生固有的直流特性如非零 输入失调电压v o s 以及输入偏置电流( i b ) 不匹配。典型的c f o a 放大器的输 入级如图2 3 所示。 i n - 图2 44 个b j t 管构成的缓冲器典型 从图2 3 中可以看到两个输入极之间是一个电压缓冲器( 图2 4 ) 。为了使 失调电压为0 ，n p n 晶体管的v b e 必须与p n p 晶体管的v b e 相匹配。由于这 些器件是分别制作的因此它们不可能达到良好匹配。另外c f o a 放大器的偏 置也会带来不匹配。 c f o a 放大器的一个显著优点是比相应的v f a 放大器需要更少的内部增 益级。通常，c f o a 放大器仅仅由一个输入缓冲器、一个增益级和一个输出缓 冲器组成。更少的放大级数意味着开环时通过放大器的延迟时间更短。这样 在同样的功率下可得到更宽的带宽。图2 3 所示的c f o a 放大器是一个单级 放大器结构。电路中唯一的高阻抗点是输出缓冲器的输入节点。v f a 放大器 通常需要2 级或以上的放大级来提供足够的开环增益。增加放大级数会增加 延迟时间，从而减少了放大器的带宽。 2 1 3 噪声 一般来说，v f a 放大器的同相和反相输入电流噪声相同。c f o a 放大器的 电流噪声比v f a 放大器大，主要是由于c f o a 放大器的偏置电流一般都比 v f a 放大器大，且由于c f o a 放大器的独特结构，其同相端和反相端的电流 噪声并不相等，在大多数情况下，反相端的电流噪声是同相端的3 倍。而 c f o a 放大器的电压噪声比v f a 放大器低，这是因为c f o a 放大器的输入偏 置电流较大，因此减少了发射极电阻，从而降低了电压噪声。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼量曼曼量曼皇曼曼曼- 一 一舅- - - 一 一i i i l l i i 曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼蔓曼皇曼曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼! 皇曼曼曼曼! ! 曼曼曼曼 2 i 4 压摆率 c f o a 结构也改善了压摆率性能。在图2 2 所示的v f a 放大器结构中。 其压摆率取决于第二级两个晶体管对补偿电容的充电速率。在c f o a 中，这两 个晶体管的电流是动态提供的，电流值没有限制，这与典型v f a 充电电流为 固定值不同。在阶跃输入或过载条件下，随着晶体管的电流增加，过载条件迅 速排除。对于第一级，这种结构对压摆率没有限制。为了获得更高的压摆率，一 些v f a 放大器会采用与c f o a 放大器相似的输入级结构。由于同时具有更宽 的带宽和更快的压摆率，c f o a 放大器在低功率下具有较低失真。 综上所述，c f o a 放大器适合用于需要高压摆率、低失真和可以设置电路 增益而不影响带宽的电路中，而v f a 放大器则适用于需要低失调电压、低噪 声的电路中。在实际应用中，应根据c f o a 和v f a 放大器的这些特点来选择 最适合需要的放大器9 j 【2 4 】。 2 2 电流反馈运算放大器的符号和模型 图2 4c f o a 代表符号 y 哳 x 一l i x = 图2 - 5c f o a 等效模型 图2 4 给出了c f o a 的代表符号，上图中x 、y 为输入端，o u t 为输出端。 其中y 被称作同相输入端，x 被称作反向输入端，这种称谓的来由与v f a 类 似，根据输出电压与该端口的输入电压相位关系得出。从图2 5 的小信号等效 模型可以看出x 端与y 端之间接了一个电压跟随器，该电压跟随器使得x 端 电压跟随y 端电压。在理想状况下跟随器的输入阻抗是无穷大，输出阻抗为零。 因此y 端的输入阻抗为无穷大，输出阻抗为零。从x 端流出的电流被复制到 上图右边的电路，从图上可清楚看出，输出电压是输入电流i ，乘以z 端节点的 等效阻抗r z 1 + s r z c z 。 2 3 电流反馈运算放大器的负反馈闭环特性 在实际应用中，电流反馈运算放大器都工作在闭环状态，现以负反馈闭环 电压比例放大器为例，分析c f o a 的负反馈闭环特性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 3 1 同相输入方式闭环特性 图2 - 6c f o a 同相输入反馈电路 图2 - 7 图2 6 的等效小信号模型 同向端做输入的电路如图所示，反馈阻抗髟的与毽的接法与v f a 一致， 在实际的应用中，c f o a 的用法与传统电压放大器没有太大的区别，只是在输 出端的性能会随着这两个电阻的阻值不同而有所变化，我们着重分析这种变 化，上图的等效小信号模型如图2 7 所示。 、y 图2 8c f o a 同相输入反馈电路等效框图 v d “f 图2 8 是更为清晰明了的框图，这个电路框图显示了电路信号的走向，从 图2 8 可以看出，信号是以电流的方式进行传输的，首先输入电压通过一个并 联的电阻转换成电流，与输出电压产生的反馈电流进行叠加，产生一个极小的 信号误差。在理想情况下这个信号误差为零。此电路的量性分析如下所示： 设这个环路的增益为t ( s ) ，它的值为整个环路的系统的乘积，即： 邢，2 掣 。 z ( s ) 是由节点等效电阻月，和等效电容c z 产生的： z ( s ) 2 方i i r 5 鬲万1 2 由于我们一般习惯电压反馈模式放大器的反馈公式表达，而这种表达方式 也可以套用在电流反馈放大器的应用中，先分析深度负反馈f 的表达式，根据 传统反馈放大器的分析方法，当t ( s ) 很大时，y 倒加的值为1 f ，这个f 称为反馈深度。从图2 8 可以得知若t ( s ) 为无穷大，为使输出电压有限值， 输入电压产生的电流与输出电压产生的电流在输入端产生的电流误差必须为 零，即 西南爻遵大掌硕士研冤生掌位论文第11 页 鳖：堡 ( 2 - 3 ) 吩毽i i 母 得到： 三：鳖：1 + 生( 2 - 4 ) f v 讯 r g 整个系统的公式为： 南= 吉丽t2 吩高 5 ， 却邓+ 套蔫1t s ) 6 ， v yk g l 十 号”等志 7 ， 等卸+ 乏，赢钏+ 石r f ，c 歪匣1 ，亿8 ， 恐 将其展开化简得到： 等卸+ 孝g fc 彘，c 冱1 ， 9 ， r f + r z 从式( 2 - 9 ) 可以看出该电路的- 3 d b 带宽与r g 无关。当我们改变r g 的大 小而使r f 不变时，就可以看到电压增益改变而带宽不变的现象。得到的图像 如图2 - 9 所示，图中结果验证了上述结论的正确性。 2 l ，8 1 b 1 量1 2 1 墨柏嘶 6 a 嘶 l h 2 0 嘶 0 图2 - 9r f 不变改变r g 大小得到的幅频响应曲线 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 3 2 反相输入方式特性 图2 10 是反相端作输入的反馈电路，运用与图2 8 一样的分析得到： ( 2 1 0 ) r f + r z 从上式可以看到，这种接法的3 d b 带宽与上一种接法是一样的只是直流 增益不同，因此有与上一种接法一样具有增益一带宽无关性。为了方便起见， 以下章节我们仅分析同相端的幅频响应特性。 图2 1 0c f o a 反相相输入反馈电路 r 厂 ：l 厂_ 图2 1 1c f o a 反相相输入反馈电路框图 2 4 电流反馈运放非理想特性分析 在很多情况下，实际的c f o a 并非图2 7 所示的小信号模型那样理想，在 图2 7 中全电路仅存在一个极点，这种在情况实际的电路中不可能出现，另外， 两个跟随器的输出端也不可能是零，这些输出端电阻会与其它极零电一起影响 c f o a 的理想特性。 2 4 1 受控电流源非理想特性 一般情况下，受控电流源( 电流跟随器) 并不是理想的，可能包含有多个 极零点。为简化计算，假设受控源中存在一极点p 2 ，通常p 2 要比z 端存在 的极点( 1 r z c z ) 要大。 与2 3 1 节一样地分析得到，z ( s ) 表示为： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 其中： v y 邵卜南( 1 + 二) ( 1 + 二) 12 1 t 。两 图2 1 2 受控源非理想的c f o a 等效小信号模型 争雨c o p 2 - 4 - c o p 4 - c 2 cm2 其中： 2 q = 这是一个二阶低通滤波器，3 d b 带宽为： 扭2 哆 ( 2 11 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 从式( 2 13 ) 中可以看出，虽然该电路的带宽在b 下降过程中会逐渐增加， 但是髟的值需谨慎选择，r z 取值小到定程度会导致幅频响应出现峰值( 如 图2 1 4 所示) 。为避免这个峰值，保证输出的频响应是平滑下降的，q 值要限 制在1 互以下【2 5 】- 【2 6 1 ，于是： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 _ 一一一_ i i 一； i i 一n 一_ _ i 一一i m i - - 鼍曼! 曼曼曼曼曼曼寰曼曼曼曼皇 r ，土 j c z 0 2 代入式( 2 13 ) 中得到3 d b 带宽表达式【2 6 】： c o _ 3 邪0 7 0 7 国口2 ( 2 - 15 ) 1 ， 1 2 1 呈8 油 叠 慨 2 0 嘶 0 l x h q i l n 审( h z ) 图2 - 1 4r g 远大于r f ，r f 值逐渐减少时的幅频响应曲线 2 4 2 输入输出端口非理想特性 上文已经分析过该闭环负反馈的3 d b 带宽与接在反相端的电阻兄。无关， 因此我们可以在保持带宽恒定的同时通过调整见来改变c f o a 的闭环增益。 现在我们考虑这两个缓冲级输出端电阻毋和亿对电路的影响： 图2 15 是以同相端为输入端的电路反馈小信号模型，与图2 1 2 不同的是 两个单位增益缓冲器的等效输出阻抗没有忽略。 重新分析环路增益得到： 邢卜一 ( 墨+ 咒) ( 1 + 孑) + 足 ( 2 - 1 6 ) 由于在实际电路中r ，要远大于忌，( 2 一l6 ) 式分母中r ，+ r 。项近似为r i ，将 ( 2 1 6 ) 式代人( 2 6 ) 式得 静案爵再1 碍 仁1 7 ) 马足、足7 小3 7 足7 一rz+ri+rx(i+rf) 陋1 8 ， 曲。1 厂卡 ( 2 。8 ) 砭c z 母( 1 + 子+ 皆) v 图2 - 1 5 缓冲级输出电阻不可忽略的同相端输入反馈小信号等效模型 当r z 等于零时为理想情况，( 2 18 ) 式和( 2 15 ) 式相等。当几不为零时闭环电 路的带宽不再与局无关，即当r ，不变改变局的值，带宽会和闭环放大倍数一起 改变。另外，r ，减小到一定程度忌会影响电路的幅频响应特性。 为分析该反馈电路的稳定性，将名右端断开，测其环路增益为： 丁( j ) ： 塾2 ( 2 19 ) ( b + 乞) ( 1 + 薏+ 丁( s ) ： 竺! 竺 ( 2 - 2 0 j r z ! l 、f) 邢5 瓦丽五 ( 1 + 二) ( 1 + 一) 12 其中 吩= ( 吩+ t o ) ( 1 + 乏+ 卫d 可以看到当r o ，比r s ，r s 小得多时母兰r i 。 分析相位裕度与尺，的关系： 先假设q z 哆，且嚣t a n 2 ( ) ，由( 2 - 2 0 ) 可知： 唧；r 哆： ( 2 2 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 将( 2 2 2 ) 代入( 2 2 0 ) 分析得到相位裕度为： ：t a n 一1 ( 墨生)( 2 2 3 ) 0 t = l i 于是： r r 般2 p i 唧刮2 啤： ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 为得到足够的相位裕度，首先就要利用所需的相位裕度通过公式( 2 2 4 ) 得到冗，的值。 从式2 - 2 5 可以看到当r ，逐渐减小时带宽在增大，但是相位裕度也在减小。 c f o a 将v f a 中带宽和增益之间的相互制约转换成了带宽和稳定性之间的相 互制约。 2 5 本文电流反馈运放设计思路 以上的c f o a 原理为我们的电路提供了一个良好的思路，一个良好的 c f o a 必须有足够小的反相端等效输入阻抗以及足够小的等效输出阻抗。但是 由于本文采用负反馈放大器实现电压跟随，电路的稳定性变得极为重要，亦是 本文电路设计的一个难点。本文电路设计采用以下思路： ( 1 ) 为了使该电流反馈放大器稳定工作( 允许尽可能小的反馈电阻冗f ) ， 该放大器的环路增益的相位裕度要尽可能大，从上文分析可知相位裕度与第二 极点国。，有关( 2 2 3 ) ，为尽可能降低国。，对相位裕度的影响，本文设计时考虑 采用密勒电容来“分裂”国。，和国。，。而采用密勒电容带来的影响在文中也做了 详细分析。 ( 2 ) 为保证增益带宽的无关性x 端等效输入电阻要尽可能小。于是采用负 反馈放大器来实现y 端和x 端的电压跟随特性，该放大器的放大倍数要足够 大。但是。，近似于该放大器的单位增益带宽，相同功耗下放大倍数的提高必 然会导致单位增益带宽的降低，于是对于该电路。，与x 端等效输入电阻是 相互制约的关系。从后面的仿真结果看出本文为提高稳定性牺牲了电压放大倍 数精度。 ( 3 ) 在电流跟随器的设计中可能会产生比较近的零点魍( 。， 织 1 g 。，那么有 c o z 0 这意味着右半平面的零点被移到左半平面。如果取尺，= l g 。，零点将被消 去。因此，可以取调零电阻r ，的值为1 g 。来达到消除零点的目的。， 本文设计的c f o a ( 图4 1 ) ，c l ，c 2 ，c 3 为密勒电容，目的是为了使得内部 的电压单位增益负反馈