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在电压反馈(VFB)和电流反馈(CFB)运算放大器之间选择

2021-06-21 17:50
来源: ADI

作者:ADI公司

电流反馈和电压反馈具有不同的应用优势。在很多应用中,CFB和VFB的差异并不明显。当今的许多高速CFB和VFB放大器在性能上不相上下,但各有其优缺点。本指南将考察与这两种拓扑结构相关的重要考虑因素。

VFB和CFB运算放大器的直流及运行考虑因素

VFB运算放大器

·对于要求高开环增益、低失调电压和低偏置电流的精密低频应用,VFB运算放大器是正确的选择。高速双极性输入VFB运算放大器的输入失调电压很少进行微调,因为输入级的失调电压匹配十分出色,一般为1至3 mV,失调温度系数为5至15?V/°C。在微调后,可实现低于20 ?V的输入失调电压。采用自稳零架构的运算放大器可提供低于5 ?V的失调电压,但我们在此不予考虑。有关自稳零运算放大器的详情,请参阅指南MT-055。

·VFB运算放大器上的输入偏置电流(无输入偏置电流补偿电路)在(+)输入端和(–)输入端大致相等,范围为1至5 ?A。有的FET输入运算放大器的输入偏置电流不到200 fA,适用于静电计等应用。(如AD549)。

·因输入偏置电流引起的输出失调电压可以归零,其方法是反相和同相输入端中的有效源电阻相等。这种方法对于偏置电流补偿VFB运算放大器无效,因为这类放大器的输入端有额外的电流误差源。在这种情况下,净输入偏置电流不一定相等,也不一定具有相同的极性。

·VFB运算放大器在反馈网络控制着整体响应的应用中十分有用,比如有源滤波器应用。然而,有些VFB运算放大器是经过非完全补偿处理的,使用时必须超过其额定的最低闭环增益。

·VFB运算放大器的简化模型是大家耳熟能详的,所有模拟电子教材中都有论述。

·VFB架构适用于那些需要轨到轨输入和输出的低电源电压应用。

CFB运算放大器

·另一方面,我们对电流反馈(CFB)运算放大器的了解较少,相关文献也不多。许多设计师选择VFB运算放大器,只是因为他们更了解这种放大器。

·CFB运算放大器的开环增益和精度一般低于精密VFB运算放大器。

·CFB运算放大器的反相和同相输入阻抗不相等,而且CFB运算放大器的输入偏置电流一般也是不相等且不相关的,因为(+)输入端和(–)输入端具有完全不同的架构。为此,外部偏置电流取消机制也不起作用。CFB输入偏置电流的范围为5至15 ?A,在反相输入端一般都较高。

·由于CFB运算放大器一般是针对一个固定的反馈电阻值而优化的,因此,除设置闭环增益以外,其反馈网络的灵活性显得不足。这使得CFB运算放大器不适合多数有源滤波器,Sallen-Key滤波器除外,因为这种滤波器可以采用合适的固定反馈电阻进行设计。图1总结了VFB和CFB运算放大器的直流及运行考虑因素。

·CFB架构确实适用于轨到轨输入和输出。

VFB和CFB运算放大器的直流及运行考虑因素

?VFB运算放大器

·高开环增益和直流精度

·提供低失调电压(<20 ?V)

·提供低偏置电流(JFET、CMOS或偏置电流补偿) (<200 fA)

·平衡输入阻抗

·灵活的反馈网络

·提供轨到轨输入和输出

?CFB运算放大器

·较低的开环增益和直流精度

·较高的失调电压

·反相输入阻抗低,同相输入阻抗高

·输入偏置电流不如VFB低,并且匹配程度不如VFB

·实现最佳性能需使用固定反馈电阻

VFB和CFB运算放大器的交流考虑因素

VFB运算放大器

·VFB运算放大器的一个显著特点是,它们可在较宽的频率范围内提供恒定的增益带宽积。

·另外,市场上有高带宽、高压摆率、低失真VFB运算放大器,其针对低静态电流采用了“H桥”架构(指南MT-056)。

·VFB运算放大器适用于各类有源滤波器架构,因为其反馈网络非常灵活。

CFB运算放大器

·CFB拓扑结构主要用于对高带宽、高压摆率和低失真有极高要求的场合。有关CFB运算放大器交流特性的详细讨论,请参阅指南MT-057。

·对于给定的互补性双极性IC工艺,CFB一般可在相同量的静态电流下产生比VFB高的FPBW(因而具有较低的失真)。这是因为CFB几乎不存在压摆率限制。为此,其全功率带宽和小信号带宽大约相同。然而,高速VFB运算放大器中使用的“H桥”架构在性能上几乎与CFB运算放大器相当(指南MT-056)。

·不同于VFB运算放大器,CFB运算放大器的反相输入阻抗极低。在反相模式下将运算放大器作为I/V转换器使用时,这是一种优势,因为其对反相输入电容的敏感度低于VFB。

·CFB运算放大器的闭环带宽由内置电容以及外置反馈电阻的值决定,相对而言,是独立于增益设置电阻的(即从反相输入端到地的电阻)。这使得CFB运算放大器成为要求增益独立带宽的可编程增益应用的理想选择。

·由于CFB运算放大器必须配合一个固定反馈电阻使用,才能实现最佳稳定性,因此,在除Sallen-Key滤波器以外,它们作为有源滤波器的应用是十分有限的。

·在CFB运算放大器中,其反馈电阻上较小的杂散电容值可能导致不稳定。

VFB和CFB运算放大器的交流考虑因素

?VFB运算放大器

·恒定的增益带宽积

·提供高压摆率和高带宽

·提供低失真版本

·灵活的反馈网络

·适合有源滤波器

?CFB运算放大器

·各种闭环增益下的带宽相对恒定

·增益带宽积不恒定

·针对特定工艺和功耗提供略高的压摆率和带宽(相比VFB而言)

·提供低失真版本

·实现最佳性能需使用固定反馈电阻

·杂散反馈电容导致不稳定

·难以用于非Sallen-Key型有源滤波器

·低反相输入阻抗降低I/V转换器应用中的输入电容影响

VFB和CFB运算放大器的噪声考虑因素

VFB运算放大器

·市场上有些精密VFB运算放大器的输入电压噪声不到1 nV/√Hz。多数JFET或CMOS输入VFB运算放大器的输入电流噪声低于100 fA/√Hz,有些则低于1 fA/√Hz。然而,总输出噪声不但取决于这些值,同时也取决于闭环增益和反馈电阻的实际值(指南MT-049)。

·对于VFB运算放大器,反相和同相输入电流噪声一般相等,而且几乎总是不相关。宽带双极性VFB运算放大器的典型值范围为0.5 pA/√Hz至5 pA/√Hz。当增加输入偏置电流补偿电路时,双极性输入级的输入电流噪声会提高,因为它们的电流噪声不相关,因而会(以RRS方式)增加双极性级的内生电流噪声。然而,偏置电流补偿很少用在高速运算放大器中。

CFB运算放大器

·CFB运算放大器中的输入电压噪声一般低于带宽与之近似的VFB运算放大器。其原因在于,CFB运算放大器中的输入级一般在较高的电流下工作,从而使发射极电阻下降,结果导致电压噪声降低。CFB运算放大器的典型值范围为1至5 nV/√Hz。

·然而,CFB运算放大器的输入电流噪声一般大于VFB运算放大器,因为其偏置电流普遍较高。CFB运算放大器的反相电流噪声和同相电流噪声通常不同,因为它们采用的是独特的输入架构,二者表示为独立的规格参数。多数情况下,反相输入电流噪声是二者中较大者。CFB运算放大器的典型输入电流范围为5至40 pA/√Hz。这往往可能占据主导地位,但在电压噪声占主导地位的超高闭环增益下除外。

计算噪声的最佳方法是写一个简单的电子表格计算程序,以自动进行计算,其中要包括所有噪声源。在指南MT-049 中讨论的等式可用于该目的。

VFB和CFB运算放大器的噪声考虑因素

?VFB运算放大器

·提供低电压噪声( < 1 nV/√Hz)

·提供低电流噪声(JFET和CMOS输入)

·反相和同相输入电流噪声相等且不相关

·计算总噪声时必须考虑反馈网络和外部电阻值

?CFB运算放大器

·低电压噪声(1至5 nV/√Hz)

·较高的电流噪声(5至40 pA/√Hz)通常是主要因素

·计算总噪声时必须考虑反馈网络和外部电阻值

总结

对于多数通用或高精度低频、低噪声应用,VFB运算放大器通常是最佳选择。VFB运算放大器也非常适合单电源应用,因为许多此类放大器提供轨到轨输入和输出。

VFB运算放大器具有极为灵活的反馈网络,因而适用于有源滤波器设计。

CFB运算放大器具有最佳带宽、压摆率和失真性能,但牺牲的是直流性能、噪声以及使用固定值反馈电阻的要求。CFB运算放大器在有源滤波器中的应用仅限于Sallen-Key等同相配置。

?选择VFB运算放大器可获得下列优点

·高精度、低噪声、低带宽

·轨到轨输入和输出

·反馈网络灵活性

·有源滤波器

?选择CFB运算放大器可获得下列优点

·超高带宽、压摆率和极低失真

·不同增益下的带宽相对恒定

·Sallen-Key有源滤波器

参考文献

1.    Hank Zumbahlen, Basic Linear Design, Analog Devices, 2006, ISBN: 0-915550-28-1.另见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,另见Op Amp Applications Handbook, Elsevier/Newnes, 2005, ISBN 0-7506-7844-5.Chapter 1.

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