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在電壓反饋和電流反饋運算放大器之間選擇

發布時間:2021-06-21 來源:ADI 責任編輯:wenwei

【導讀】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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