13.2 电流反馈运放

大家好

欢迎来到德州仪器高精度实验室

今天我将讲电流反馈型运放的第二个部分

在第一部分中

我们介绍了电流反馈运放的带宽

主要取决于反馈电阻

所以它的增益带宽积是独立的

而在这一部分呢

我将介绍电流反馈型运放的第二个优点

也就是它超高的压摆率

在接下的讲解中

我将深入讲解电流反馈型运放的

内部电路设计

通过对内部电路的分析

进一步深入理解电流反馈性运放

是如何实现如此高的压摆率

电压反馈型运放的一个不足之处

是压摆率会受到限制

图中是一个典型的

电压反馈型运放的内部电路

第一级是一个高增益跨导模块

包括差分输入管 Q1 和 Q2

还有电流镜 Q3 和 Q4

之后是一个增益和输出级

合并在一起组成一个积分器

包含一个反相放大器

和一个补偿电容 C

在单增益放大时

正常情况下

输入差分对是平衡的

每个输入管脚上的电流是相等的

而当一个幅值很大、转换速率很快的

输入信号输入时

输出就无法跟随输入的变化而变化

输入差分对管不再平衡

拖尾电流 I

会通过 Q2 流入电容 C 中

开始对 C 进行充电

因此运放的压摆率

就取决于电容的充放电速度

比如如果 I 等于 100uA

C 等于 10pF 时

压摆率等于电流除以电容

即为 10V/μs

增加压摆率的方法是电容值保持不变时

增加输入对管的拖尾电流

这样会增加运放的总功耗

有限的压摆率

会增加运算放大器的建立时间

在很多应用中

这是一个非常关键的参数

图中显示的是一个简化的

电流反馈型运放的内部结构

三极管 Q1、Q2 通过 Q3、Q4

对同相输入端的信号进行了缓冲

同时驱动运放的反相输入端

这里需要注意

Q3、Q4 的基极

也就是同相输入端呈现出高输入阻抗

而 Q1、Q2 的发射极

也就是反相输入端

呈现出低输入阻抗

根据基尔霍夫电流定律

可以得出反相输入端的电流 IN=I1-I2

其中 I1 和 I2

分别是 Q1 和 Q2 的推挽电流

Q5、Q7 和 Q6、Q8 构成电流镜

将 I1、I2 映射到电容 CCOMP 上

通过电流镜的作用

流入 CCOMP 的电流 IC

与输入级的不平衡电流 IN 相等

电容上的电压经过 Q9、Q10

和 Q11、Q12 的缓冲作用输出到输出端

当运放构成一个闭环反馈回路

而且外部信号造成差分输入端不平衡时

输入缓冲级就会将不平衡电流

传送到外部的反馈回路和增益电阻上

这个不平衡电流也会被电流镜

传送到电容 CCOMP 上

造成输出电压的摆动

直到原始的不平衡电流

通过负反馈回路被抵消

接下来我们分析一下

当压摆率受到限制时

运放的内部发生了什么

当电压反馈型运放处于摆动状态时

运放的反馈回路处于开环

同时两个输入端的电压不相等

为了重新回到闭环

反相输入端会努力跟随

同相输入端的变化而变化

也就意味着

输出端也会随着

同相输入端的变化而变化

就像之前讲过的需要对电容进行充电

因此驱动运放的电流

来源于输入差分对的电流源

这个电流是固定的

而且一般是微安级别的

所以输入差分对的电流源

限制了运放的压摆率

同样的情况也发生在电流反馈运放中

运放的输出为了跟随反相输入端

使反馈回路重新回到闭环状态

补偿电容也需要进行充放电

充放电的电流 IC

是反相输入端的不平衡电流 IN 的复制

而 IN 也来源于运放的输出端

同时驱动运放的低阻抗的反相输入级

运放的输出级一般可以驱动数毫安的电流

因此这要比电压反馈型运放的电流源强很多

也就是说

电流反馈型运放中的 IN

要比电压反馈型运放中的 IB 大很多倍

因此电流反馈型运放可以实现很高的压摆率

理论上一个理想的电流反馈型运放

可以拥有无限大的压摆率

然而输入缓冲级有限的动态范围

和电流镜限制了压摆率的最大值

表中展示了 TI 的几种

电流型反馈运放和电压型反馈运放

可以观察到

当运放的静态功耗大致相同时

电流反馈型运放的压摆率

一般要比电压反馈型运放高一个数量级

这些产品都属于高电压、高带宽的运放

THS3000 家族的电流反馈型运放

在 30V 的供电条件下

可以达到目前市场上最高的压摆率

好，既然我们已经了解了

电流反馈行运放的内部结构

接下来让我们学习

电流反馈型运放的输入电阻的来源吧

也就是我们之前用到的 Ri

Ri 在跨导的计算中是一个非常重要的参数

而且一个理想的电流反馈型运放的

输入电阻应该是零

这样它的环路增益就只取决于反馈电阻

RF 和它的增益了

左图显示了开环运放的

差分输入级之间的缓冲级

其中 rE1 和 rE2

分别是 Q1 和 Q2 的发射极电阻

也就是输入缓冲级的输出阻抗

同时也是运放反相输入端的输入阻抗

发射极电阻 rE

与发射极电流 IE 之间的关系

如中间的公式所示

当设计一个低功耗的电流反馈型运放时

拖尾电流的减小会造成发射级阻抗的增加

在低功耗的应用中

发射极的阻抗往往会超过数百Ω

会在反馈跨导的计算公式中占主导地位

在低功耗的电流反馈型运放中

为了减小对输入阻抗的影响

TI 发明了一种闭环的缓冲级输入

通过这样一种闭环的结构

发射极电阻除以缓冲级的环路增益

可以使输入阻抗从数百Ω

减小到小于 10Ω

下面的表格对比了

宽带运放 OPA691 和

低功耗运放 OPA683 的输入阻抗

OP691 使用的是开环的缓冲级

而 OPA683 使用的是闭环的缓冲级

可以很明显地观察到

闭环的缓冲级可以在很大程度上

减小输入阻抗

而当信号的增益较小

而摆幅较大时

将电流反馈型运放配置为反相放大电路

会具有更好的线性度和更大的带宽

下面我将以 THS3091 作为例子介绍这一概念

假设 THS3091 的反相放大电路的增益是两倍

而输入信号的峰峰值是 8V

信号的频率是 100MHz

运放的输出变为 16V

理论上需要压摆率为

5025V/μs

在同相放大电路中

因为虚短的概念

两个输入端的电压摆幅都达到了 8V

因此也就要求输入缓冲级

也要有 2500V/μs 的压摆率

在这种情况下

缓冲级的非线性度会直接影响

THS3091 的整体非线性

而在反相放大电路中

运放的增益为 -2

输入也为 8V 100M

同样运放的输出端也需要满足

5025V/μs 的压摆率

但是在这种情况下

同相输入端和反相输入端维持在 GND

输入缓冲级不再有 8V 的摆动

因此缓冲级的线性度

不再对整个运放的线性度产生影响

在这种情况下

电流反馈型运放被配置为反相放大的

动态性能会得到提升

这种反相放大电路的设计

需要前级电路具有

足够的驱动能力来驱动负载 RG

才会凑效

而同相放大电路

因为一直呈现的是高输入阻抗

因此不会受到前级电路的影响

电流反馈型运放的输出噪声模型如图所示

总输出噪声的计算方法

与电压反馈型运放的计算方法大致相同

不同的是

在电流反馈型运放中

反相输入端与同相输入端的

电流噪声是不相等的

以 THS3217 为例

可以观察到

反相输入端的电流噪声

大于同相输入端的电流噪声

电流反馈型运放的输入级如左图所示

同相输入端是 Q3 和 Q4 的基极

因此呈现出高输入阻抗

Q3 和 Q4 的不匹配

将会导致同相输入端的偏置电流

同样在反相输入端的偏置电流

是由于 Q1 和 Q2 的不匹配造成的

之前也提到过发射极

呈现出低输入阻抗的特性

由于输入结构的不对称

使得运放的反相输入端

和同相输入端的偏置电流

不能很好的匹配

所以它们的偏置电流

要比电压反馈型运放的偏置电流大很多

反相输入端增加的偏置电流

也会造成反相输入端电流噪声的增加

通过这两节课的讲解

我们发现电压反馈型运放

和电流反馈型运放都有各自的优缺点

在实际应用中

我们需要根据应用的特点

对运放的结构作出选择

对于电压反馈型运放

主要适合以下系统

如高的直流精度

轨到轨的输入输出

低噪声、低功耗、低的压摆率

100MHz 以内极低的信号失真

或者是这些特点的组合

典型的电压反馈型运放的应用包括

高速高精度 ADC 的接口

或者互阻放大器

而对于电流反馈型运放应用的系统

一般具有以下特点

如非常高的压摆率和大信号带宽

高频处极低的失真

以及在不同增益下

具备接近固定信号带宽的一些应用

典型的应用包括 DAC 的输出接口和线性驱动

比如 DSL 数字电路和电力系统通信等

电流型反馈运放的课程就到此为止

谢谢大家的收看

大家好

欢迎来到德州仪器高精度实验室

今天我将讲电流反馈型运放的第二个部分

在第一部分中

我们介绍了电流反馈运放的带宽

主要取决于反馈电阻

所以它的增益带宽积是独立的

而在这一部分呢

我将介绍电流反馈型运放的第二个优点

也就是它超高的压摆率

在接下的讲解中

我将深入讲解电流反馈型运放的

内部电路设计

通过对内部电路的分析

进一步深入理解电流反馈性运放

是如何实现如此高的压摆率

电压反馈型运放的一个不足之处

是压摆率会受到限制

图中是一个典型的

电压反馈型运放的内部电路

第一级是一个高增益跨导模块

包括差分输入管 Q1 和 Q2

还有电流镜 Q3 和 Q4

之后是一个增益和输出级

合并在一起组成一个积分器

包含一个反相放大器

和一个补偿电容 C

在单增益放大时

正常情况下

输入差分对是平衡的

每个输入管脚上的电流是相等的

而当一个幅值很大、转换速率很快的

输入信号输入时

输出就无法跟随输入的变化而变化

输入差分对管不再平衡

拖尾电流 I

会通过 Q2 流入电容 C 中

开始对 C 进行充电

因此运放的压摆率

就取决于电容的充放电速度

比如如果 I 等于 100uA

C 等于 10pF 时

压摆率等于电流除以电容

即为 10V/μs

增加压摆率的方法是电容值保持不变时

增加输入对管的拖尾电流

这样会增加运放的总功耗

有限的压摆率

会增加运算放大器的建立时间

在很多应用中

这是一个非常关键的参数

图中显示的是一个简化的

电流反馈型运放的内部结构

三极管 Q1、Q2 通过 Q3、Q4

对同相输入端的信号进行了缓冲

同时驱动运放的反相输入端

这里需要注意

Q3、Q4 的基极

也就是同相输入端呈现出高输入阻抗

而 Q1、Q2 的发射极

也就是反相输入端

呈现出低输入阻抗

根据基尔霍夫电流定律

可以得出反相输入端的电流 IN=I1-I2

其中 I1 和 I2

分别是 Q1 和 Q2 的推挽电流

Q5、Q7 和 Q6、Q8 构成电流镜

将 I1、I2 映射到电容 CCOMP 上

通过电流镜的作用

流入 CCOMP 的电流 IC

与输入级的不平衡电流 IN 相等

电容上的电压经过 Q9、Q10

和 Q11、Q12 的缓冲作用输出到输出端

当运放构成一个闭环反馈回路

而且外部信号造成差分输入端不平衡时

输入缓冲级就会将不平衡电流

传送到外部的反馈回路和增益电阻上

这个不平衡电流也会被电流镜

传送到电容 CCOMP 上

造成输出电压的摆动

直到原始的不平衡电流

通过负反馈回路被抵消

接下来我们分析一下

当压摆率受到限制时

运放的内部发生了什么

当电压反馈型运放处于摆动状态时

运放的反馈回路处于开环

同时两个输入端的电压不相等

为了重新回到闭环

反相输入端会努力跟随

同相输入端的变化而变化

也就意味着

输出端也会随着

同相输入端的变化而变化

就像之前讲过的需要对电容进行充电

因此驱动运放的电流

来源于输入差分对的电流源

这个电流是固定的

而且一般是微安级别的

所以输入差分对的电流源

限制了运放的压摆率

同样的情况也发生在电流反馈运放中

运放的输出为了跟随反相输入端

使反馈回路重新回到闭环状态

补偿电容也需要进行充放电

充放电的电流 IC

是反相输入端的不平衡电流 IN 的复制

而 IN 也来源于运放的输出端

同时驱动运放的低阻抗的反相输入级

运放的输出级一般可以驱动数毫安的电流

因此这要比电压反馈型运放的电流源强很多

也就是说

电流反馈型运放中的 IN

要比电压反馈型运放中的 IB 大很多倍

因此电流反馈型运放可以实现很高的压摆率

理论上一个理想的电流反馈型运放

可以拥有无限大的压摆率

然而输入缓冲级有限的动态范围

和电流镜限制了压摆率的最大值

表中展示了 TI 的几种

电流型反馈运放和电压型反馈运放

可以观察到

当运放的静态功耗大致相同时

电流反馈型运放的压摆率

一般要比电压反馈型运放高一个数量级

这些产品都属于高电压、高带宽的运放

THS3000 家族的电流反馈型运放

在 30V 的供电条件下

可以达到目前市场上最高的压摆率

好，既然我们已经了解了

电流反馈行运放的内部结构

接下来让我们学习

电流反馈型运放的输入电阻的来源吧

也就是我们之前用到的 Ri

Ri 在跨导的计算中是一个非常重要的参数

而且一个理想的电流反馈型运放的

输入电阻应该是零

这样它的环路增益就只取决于反馈电阻

RF 和它的增益了

左图显示了开环运放的

差分输入级之间的缓冲级

其中 rE1 和 rE2

分别是 Q1 和 Q2 的发射极电阻

也就是输入缓冲级的输出阻抗

同时也是运放反相输入端的输入阻抗

发射极电阻 rE

与发射极电流 IE 之间的关系

如中间的公式所示

当设计一个低功耗的电流反馈型运放时

拖尾电流的减小会造成发射级阻抗的增加

在低功耗的应用中

发射极的阻抗往往会超过数百Ω

会在反馈跨导的计算公式中占主导地位

在低功耗的电流反馈型运放中

为了减小对输入阻抗的影响

TI 发明了一种闭环的缓冲级输入

通过这样一种闭环的结构

发射极电阻除以缓冲级的环路增益

可以使输入阻抗从数百Ω

减小到小于 10Ω

下面的表格对比了

宽带运放 OPA691 和

低功耗运放 OPA683 的输入阻抗

OP691 使用的是开环的缓冲级

而 OPA683 使用的是闭环的缓冲级

可以很明显地观察到

闭环的缓冲级可以在很大程度上

减小输入阻抗

而当信号的增益较小

而摆幅较大时

将电流反馈型运放配置为反相放大电路

会具有更好的线性度和更大的带宽

下面我将以 THS3091 作为例子介绍这一概念

假设 THS3091 的反相放大电路的增益是两倍

而输入信号的峰峰值是 8V

信号的频率是 100MHz

运放的输出变为 16V

理论上需要压摆率为

5025V/μs

在同相放大电路中

因为虚短的概念

两个输入端的电压摆幅都达到了 8V

因此也就要求输入缓冲级

也要有 2500V/μs 的压摆率

在这种情况下

缓冲级的非线性度会直接影响

THS3091 的整体非线性

而在反相放大电路中

运放的增益为 -2

输入也为 8V 100M

同样运放的输出端也需要满足

5025V/μs 的压摆率

但是在这种情况下

同相输入端和反相输入端维持在 GND

输入缓冲级不再有 8V 的摆动

因此缓冲级的线性度

不再对整个运放的线性度产生影响

在这种情况下

电流反馈型运放被配置为反相放大的

动态性能会得到提升

这种反相放大电路的设计

需要前级电路具有

足够的驱动能力来驱动负载 RG

才会凑效

而同相放大电路

因为一直呈现的是高输入阻抗

因此不会受到前级电路的影响

电流反馈型运放的输出噪声模型如图所示

总输出噪声的计算方法

与电压反馈型运放的计算方法大致相同

不同的是

在电流反馈型运放中

反相输入端与同相输入端的

电流噪声是不相等的

以 THS3217 为例

可以观察到

反相输入端的电流噪声

大于同相输入端的电流噪声

电流反馈型运放的输入级如左图所示

同相输入端是 Q3 和 Q4 的基极

因此呈现出高输入阻抗

Q3 和 Q4 的不匹配

将会导致同相输入端的偏置电流

同样在反相输入端的偏置电流

是由于 Q1 和 Q2 的不匹配造成的

之前也提到过发射极

呈现出低输入阻抗的特性

由于输入结构的不对称

使得运放的反相输入端

和同相输入端的偏置电流

不能很好的匹配

所以它们的偏置电流

要比电压反馈型运放的偏置电流大很多

反相输入端增加的偏置电流

也会造成反相输入端电流噪声的增加

通过这两节课的讲解

我们发现电压反馈型运放

和电流反馈型运放都有各自的优缺点

在实际应用中

我们需要根据应用的特点

对运放的结构作出选择

对于电压反馈型运放

主要适合以下系统

如高的直流精度

轨到轨的输入输出

低噪声、低功耗、低的压摆率

100MHz 以内极低的信号失真

或者是这些特点的组合

典型的电压反馈型运放的应用包括

高速高精度 ADC 的接口

或者互阻放大器

而对于电流反馈型运放应用的系统

一般具有以下特点

如非常高的压摆率和大信号带宽

高频处极低的失真

以及在不同增益下

具备接近固定信号带宽的一些应用

典型的应用包括 DAC 的输出接口和线性驱动

比如 DSL 数字电路和电力系统通信等

电流型反馈运放的课程就到此为止

谢谢大家的收看