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电流反馈运算放大器的原理及应用 北京航空航天大学112信箱(100083) 郭荣祥 郭吉祥 北京市英赛尔器件集团(100044)高 工 摘 要： 介绍了电流反馈运算放大器(CFA)的原理、特性、应用考虑及典型器件。 关键词： 电流反馈运算放大器(CFA) 电压反馈运算放大器(VFA) 1 概述 世纪之交，随着通信和多媒体技术的迅猛发展，对高速集成电路的要求不断提高。用电流模技术制造的电流反馈运算放大器(CFA)应运而生，以其独特的性能，赢得了电子工程师们的极大关注。CFA与传统的电压反馈运算放大器(VFA)相比具有许多优点，最主要的特点是CFA的输入级抛弃了差动电路，而采用互补跟随电路，提高了输入级转换速率；CFA的闭环带宽与增益无关，不存在增益带宽积的限制。除了结构设计考虑之外，制造工艺的改进也是十分重要的。目前高速CFA和VFA一般都采用流行的互补双极型(CB)工艺。近年来美国ADI公司推出了最新专利技术介质隔离超高速互补双极型(XFCB)工艺，促使CFA器件和应用发展到一个新阶段。XFCB与CB工艺相比，器件速度更快，是CB工艺的5倍，供电电源低，仅要求 6V。功率为CB工艺的1/8，高集成度、小尺寸使XFCB工艺生产的芯片成本与CB工艺相当。用XFCB工艺生产的CFA(AD8009)转换速率(SR)达到4500V/s，-3dB单位增益带宽(fu)最小为1000MHz，而用XFCB生产的VFA(AD9632)SR为1200V/s，-3dB单位增带宽为250MHz，可见 用XFCB工艺制造的CFA可以获得比VFA高得多的性能。对转换速率、大信号带宽要求较高的场合，通常用CFA代替VFA。 2 CFA的工作原理及特性 CFA的工作原理图如图1所示，同相输入端具有很高的输入阻抗，其输入信号通过互补射极 跟随器Q1和Q2，直接缓冲输出到反相输入端。由于发射极电阻很小，所以反相输入端阻抗很低(一般为10100)。 图1 CFA的工作原理图 Q1与Q2的集电极驱动电流镜Q3和Q4，该电流镜把反相输入的电流传输给高阻节点T(s)，该 高阻节点特性用RT和CP表示。假设给CFA同相输入端加一个阶跃信号，Q1立即把相应的电流输出供给外部反馈电阻，产生一个误差电流I，Q3同时把I加到高阻节点上。高阻节点电压等于电流I乘以等效阻抗RTZC。可见CFA的开环增益T(s)是一个阻抗，而不是VFA中无量纲的开环电压增益A(s)，所以CFA也可称为互阻放大器。因为误差电流I不受输入极偏置电流限制，所以理想CFA的SR不受限制，可以非常高。电流镜从电源上取得电流，供给高阻节点。负反馈环路迫使输出达到某个电压值，该电压值使反相输入的误差电流为0。CFA的等效模型和相应的波特图如图2所示。 输入缓冲单元的输出阻抗为RO，输入误差电流为I，运用负反馈原理列出节点方程，可 求得： V OUT V IN =1+R2/R11+jCPR2(1+R0/R1+R0/R2) 在闭环-3dB带宽f CL 处满足下式： 2f CL CPR2(1+RO/R1+RO/R2)=1当ROR1，ROR2时，由上式可得： f CL =1/2CPR2 图2 CFA的等效模型和波特图 上式表明CFA由内部极点电容CP和外部反馈电阻R2决定，而与增益设置电阻R1无关。由于f CL 与R2成反比，所以制造商常把CFA的R2优化成某个特定值。R2大于此值，带宽会降低；R2小于此值，CFA会由于高频寄生极点而产生振荡，工作不稳定。 从上面工作原理可以归纳出CFA的基本特性： (1)由于CFA的转换速率不受限制，所以在同样的制造工艺，同样的静态电源电流条件下，CFA能比VFA获得更高的全功率带宽(FPBW)，CFA的全功率带宽和小信号带宽近似相等。 (2)由于CFA的反相输入电阻非常小，所以它对反相输入端杂散电容的敏感程度比VFA小很多。把CFA接成反相工作方式(如I/V转换器)会很有利。 (3)CFA的闭环带宽由内部极点电容和外部反馈电阻决定，与增益电阻无关。而VFA具有恒定 的增益带宽积，增益增加，带宽下降。CFA带宽与增益无关的特性使它特别适用于可编程增 益应用场合。 3 CFA的影响因素 31 反馈电容的影响 在讨论反馈电容的影响之前，首先介绍噪声增益(NG)的概念，因为应用NG可在波特图上分 析系统稳定性。对VFA，NG是运放输出噪声电压与输入端噪声电压之比。直流NG可用来反映 输入失调电压(及其它输入误差)对输出的影响。无论同相放大器还是反相放大器，噪声增益 都为1+R2/R1，而信号增益则不同。对CFA，NG为输出噪声电压与反相输入端的噪声电流之比，用互阻表示。根据CFA等效模型可以推出CFA的电流噪声增益CNG=R0+Z2(1+R0/Z1)。 NG在波特图上是频率的函数，如果反馈是纯电阻，那么NG是常数。如果反馈环路中有电抗， 那么NG会随频率而改变。在对数坐标的波特图上零点频率fZ和极点频率fP决定NG的转折频率。NG与开环增益的交点，不仅可确定闭环带宽，而且可用来分析稳定性。在NG与开环增益交点处，开环响应的斜率小于40dB/十倍频，环路才能稳定。图3用NG分析比较了VFA和CFA带一个反馈电容时电路的稳定性。 图3 反馈电容的影响 从图3(b)中可以看出，单电容反馈的VFA，NG交点处的斜率是20dB/十倍频，这表明电路稳 定。而在图3(c)中，低频时CFA的CNG是R2(假定R0Z1，Z2)，R2、C2确定第一个极点，随着频率增高，C2短路，反相端全部电流流过RO。CFA通常选用推荐值R2作反馈电阻，闭环带宽f CL 由R2确定，附加极点频率fA比f CL 高，所以CFA的CNG与T(s)交点处的斜率为40dB/十倍频，这表明电路不稳定，可能产生振荡。基于上述原因，CFA不适用于有反馈电容的电路，如有源积分器、有源低通滤波器等。Sallen-Key有源滤波器除外，因为此电路中，CFA的反馈网络没有电容。VFA在这方面则比CFA灵活得多，用VFA可以构成多反馈的低通滤波器。 32 输入电容的影响 在高速光电二极管前置放大器和电流输出DAC缓冲器应用中，常用高速VFA或CFA构成电流 电压(I/V)转换器，如图4所示。对VFA，输入电容C1在NG传递函数上形成频率为fZ=1/2R2C1的零点，若无补偿，将引起电路不稳定，需加入反馈电容C2=C1/2R2fu补偿。 图4 输入电容的影响 对CFA，反相输入端阻抗RO很低，大大降低了运放对输入电容的敏感性。C1产生fZ=1/2(ROR2)C11/2ROC1，比VFA的fZ高很多。如果这个fZ在闭环带宽之外，完全可以不加任何补偿。若要补偿可加入反馈电容C2=RO/R2C1/2R2f CL 实际应用中，若DAC满量程电流为4mA，输入电容C1=20pF，反馈电阻R2=500，对fu=200MHz的VFA，C1产生fZ=1/2R2C1=16MHz，要获得45相位裕度，需加C2=56pF电容补偿，信号带宽为57MHz。但对f CL =200MHz，RO=50的CFA来说，C1产生的零点频率fZ=1/2ROC1=160MHz，仅要求18pF的补偿电容，信号带宽为176MHz。实际上，该零点很靠近CFA闭环带宽，可以不用补偿。 应当注意，CFA只有作为反向放大器使用时，才对反向输入电容不敏感。在同相放大时，几 皮法的杂散电容都会引起增益尖峰和不稳定。另外，CFA用作高速电流输出DAC的I/V转换器时，反相输入阻抗低，加快了DAC电流切换。两输入端间无需二极管限幅，提高了I/V转换的建立时间。然而VFA则不行，由于其输入阻抗高，易产生尖峰电压，需在两输入间加稳压二极管限制瞬间大电压。 33 噪声的影响 运放噪声有两部分：低频噪声和中、高频处的白噪声。低频噪声又称1/f噪声。在高速运放应用中，通常关心的是总输出噪声有效值。因为频带很宽，白噪声是输出噪声(有效值)的主要因素，1/f噪声可忽略。 对VFA，同相和反相输入端电流噪声一般相等，几乎不相关，宽带VFA电流噪声典型值为05 5pA/Hz，电压噪声典型值为220nV/Hz。对CFA，两个输入端由于结构上的原因电流噪声不相同。在大数情况下，电流噪声用两者较大的一个表示。CFA输入端电流噪声典型值为540pA/Hz，输入电压噪声为15nV/Hz。运放在高增益时，电压噪声起主要作用。 4 CFA的应用及典型器件 41 CFA应用考虑 CFA建立时间快，频带宽，失真小，噪声低，输出电流大，直流特性好，能在低电源电压下工作，可满足便携式通信设备低功耗、宽频带的要求。它广泛用作高频增益单元、电缆驱 动器、高速ADC前置放大器、高速DAC缓冲器、IV转换器等。但在应用CFA时，还应考虑以下几个问题： (1)CFA反相输入端电阻不为0，会引起增益误差。一般情况下，假设互阻抗为1M，反馈电 阻为1k，RO为40，这时单位增益会有01%的误差。增益越高，增益误差越大。所以C FA很少用于高增益场合，尤其是当要求增益绝对准确时，更是如此。 (2)CFA可以用来构成四电阻差分放大器，但同相输入端要接一个小电阻(100200)以减少时间常数的失配。 (3)容性负载对CFA会产生与VFA一样的问题，使反馈误差信号相移增加，相位裕量变坏，导 致不稳定。处理容性负载公认的方法是在运放输出与负载电容之间串接一个电阻，运放不直 接驱动电容负载。 (4)CFA电源引脚须用引线短的电容接到大面积的地线层退耦。一般用低电感的陶瓷表面封装 电容(001F01F)进行高频退耦，低频噪声用低电感钽电容(110F)退耦。我也来：运算放大器 运算放大器是运用得非常广泛的一种线性集成电路。而且种类繁多，在运用方面不但可对微弱信号进行放大，还可做为反相、电压 跟随器，可对电信号做加减法运算，所以被称为运算放大器。不但其他地方应用广泛，在音响方面也使用得最多。例如前级放大、 缓冲，耳机放大器除了有部分使用分立元件，电子管外，绝大部分使用的还是集成运算放大器。而有时候还会用到稳压电路上，制 作高精度的稳压滤波电路。 各种运放由于其内部结构的不同，产生的失真成分也不同，所以音色特点也有一定的区别。本来我们追求的是高保真，运放应该是 失真最低，能真实还原音乐，没有个性的最好。但是由于要配合其他音响部件如数码音源、后级功放管等如果偏干、偏冷则可搭配 音色细腻温暖型的运放，而太过阴柔、偏软的则可搭配音色较冷艳、亮丽的运放，做到与整机配合，取长补短的最佳效果。所以说 并不是选择越贵的运放得到的效果就一定越好，搭配很重要，达到听感上最好才算达到目的。如果是应用在低电压的模拟滤波电路 中，还要选择对低电压工作性能良好的运放种类。市面上的运放种类不下五六百种，GBW带宽在5M以上的也有三百多种，最高的已达 300MHZ，转换速率在5V/us以上的也不下几百种，最高达3000V/us。以上介绍的几种被音响发烧友们炒得火热的，其实还有大量未被 大家熟知的上乘佳品可供选择，大家不必局限于以上几种。一种运放型号的封装也可分为金封、陶封和塑封，一般来说金封、陶封 的质量较好，塑封的品质稍差。利益的驱使，什么都有假货，运放也不例外，市面上的假货不少，如果想便宜捡好货，那就要慧眼 识珠了，不太在行的在购买时就要注意，宁可多花一块几毛，也要到信誉较好的商家去买。 低档运放JRC4558。这种运放是低档机器使用得最多的。现在被认为超级烂，因为它的声音过于明亮，毛刺感强，所以比起其他的音 响用运放来说是最差劲的一种。不过它在我国暂时应用得还是比较多的,很多的四、五百元的功放还是选择使用它，因为考虑到成本 问题和实际能出的效果,没必要选择质量超过5532以上的运放。对于一些电脑有源音箱来说，它的应付能力还是绰绰有余的 运放之皇5532。如果有谁还没有听说过它名字的话，那就还未称得上是音响爱好者。这个当年有运放皇之称的NE5532，与LM833、 LF353、CA3240一起是老牌四大名运放，不过现在只有5532应用得最多。5532现在主要分开台湾、美国和PHILIPS生产的，日本也有。 最好的是带大S标志的美国产品，市面上要正宗的要卖8元以上，自从SIGNE被PHILIPS收购后，生产的5532商标使用的都是PHILIPS 商标，质量和原品相当，只需45元。而台湾生产的质量就稍微差一些，价格也最便，两三块便可以买到了。NE5532的封装和4558一 样，都是DIP8脚双运放，5532的内部为JFET（结型场效应管结构）,声音特点总体来说属于温暖细腻型，驱动力强，但高音略显毛糙， 低音偏肥。以前不少人认为它有少许的“胆味”，不过现在比它更有胆味的已有不少，相对来说就显得不是那么突出了。5532的电压 适应范围非常宽，从正负3V至正负20V都能正常工作。它虽然是一个比较旧的运放型号，但现在仍被认为是性价比最高的音响用运放。 是属于平民化的一种运放，被许多中底档的功放采用。不过现在有太多的假冒NE5532，或非音频用的工业用品，由于5532的引脚功 能和4558的相同，所以有些不良商家还把4558擦掉字母后印上5532字样充当5532，一般外观粗糙，印字易擦掉，有少许经验的人也 可以辨别。据说有8mA的电流温热才是正宗的音频用5532。 NE5532还有两位兄弟NE5534和NE5535。5534是单运放，由于它分开了单运放，没有了双运放之间的相互影响，所以音色不但柔和、 温暖和细腻，而且有较好的音乐味。它的电压适应范围也很宽，低到正负5V的电压也能保持良好的工作状态。由于以前著名的美国 BGW-150功放采用5534作电压激励时，特意让正电源电压高出0.7V，迫使其输出管工作于更完美的甲类状态，使得音质进一步改善， 所以现在一般都认为如果让正电源高出0.7V音质会更好。5534的引脚功能见，价格和5532相当。而NE5535是5532的升级产品，其特 点是内电路更加简洁，且输出级采用全互补结构。转换速率比5532更高。不过有个缺点就是噪声较大，频带不够宽，底电压工作时 性能不够好，所以用于模拟滤波时效果不如5532理想。但在工作电压大于或等于15V时用作线形放大电路，音乐味会比5532好 一些，所以其价格也比5532要贵两三元，其引脚功能和5532一样。 双运放AD827。这枚是AD公司的较新产品，它原本是为视频电路设计的，所以它的增益带宽达50MHZ，SR达到300V/us，它与 EL2244一样都是目前市场上电压反馈型双运放的顶级货，一般的运放难望其项背。其高频经营剔透，低频弹跳感优越，其性能指标 与实际听感全面胜过其他很多同类产品，音质被一些人形容为无懈可击。且在正负5V的供电下仍有优异的性能。但其价格也稍微昂 贵，30多元。脚位功能和5532相同。 双运放OP249。该运放是美国PMI公司的产品，厂家声称是用以取代OP215、LT1057等运放的，