電流反饋和電壓反饋具有不同的應用優(yōu)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(yōu)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(huán)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(shù)為5至15μV/°C,。在微調后,可實現(xiàn)低于20 μV的輸入失調電壓,。采用自穩(wěn)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(wěn)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(wǎng)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(huán)增益。
? VFB運算放大器的簡化模型是大家耳熟能詳?shù)?,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(huán)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(yōu)化的,,因此,除設置閉環(huán)增益以外,,其反饋網(wǎng)絡的靈活性顯得不足,。這使得CFB運算放大器不適合多數(shù)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(huán)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(wǎng)絡
? 提供軌到軌輸入和輸出
? CFB運算放大器
? 較低的開環(huán)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(xiàn)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(tài)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(wǎng)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(tài)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(yōu)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(huán)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(xiàn)最佳穩(wěn)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(wěn)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(wǎng)絡
? 適合有源濾波器
? CFB運算放大器
? 各種閉環(huán)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(xiàn)最佳性能需使用固定反饋電阻
? 雜散反饋電容導致不穩(wěn)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(shù)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(huán)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?guī)缀蹩偸遣幌嚓P,。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(fā)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(guī)格參數(shù),。多數(shù)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(jù)主導地位,,但在電壓噪聲占主導地位的超高閉環(huán)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(wǎng)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(wǎng)絡和外部電阻值
總結
對于多數(shù)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(wǎng)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(yōu)點
? 高精度,、低噪聲、低帶寬
? 軌到軌輸入和輸出
? 反饋網(wǎng)絡靈活性
? 有源濾波器
? 選擇CFB運算放大器可獲得下列優(yōu)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.