siemens x
電子元件

在電壓反饋(VFB)和電流反饋(CFB)運(yùn)算放大器之間選擇

2025China.cn   2021年06月18日

  電流反饋和電壓反饋具有不同的應(yīng)用優(yōu)勢。在很多應(yīng)用中,CFB和VFB的差異并不明顯。當(dāng)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(diǎn)。本指南將考察與這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相關(guān)的重要考慮因素。

VFB和CFB運(yùn)算放大器的直流及運(yùn)行考慮因素

  VFB運(yùn)算放大器

  ● 對于要求高開環(huán)增益、低失調(diào)電壓和低偏置電流的精密低頻應(yīng)用,VFB運(yùn)算放大器是正確的選擇。高速雙極性輸入VFB運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓很少進(jìn)行微調(diào),因?yàn)檩斎爰壍氖д{(diào)電壓匹配十分出色,一般為1至3 mV,失調(diào)溫度系數(shù)為5至15μV/°C。在微調(diào)后,可實(shí)現(xiàn)低于20 μV的輸入失調(diào)電壓。采用自穩(wěn)零架構(gòu)的運(yùn)算放大器可提供低于5 μV的失調(diào)電壓,但我們在此不予考慮。有關(guān)自穩(wěn)零運(yùn)算放大器的詳情,請參閱指南MT-055。

  ● VFB運(yùn)算放大器上的輸入偏置電流(無輸入偏置電流補(bǔ)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(yùn)算放大器的輸入偏置電流不到200 fA,適用于靜電計(jì)等應(yīng)用。(如AD549)。

  ? 因輸入偏置電流引起的輸出失調(diào)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(bǔ)償VFB運(yùn)算放大器無效,因?yàn)檫@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(yùn)算放大器在反饋網(wǎng)絡(luò)控制著整體響應(yīng)的應(yīng)用中十分有用,比如有源濾波器應(yīng)用。然而,有些VFB運(yùn)算放大器是經(jīng)過非完全補(bǔ)償處理的,使用時必須超過其額定的最低閉環(huán)增益。

  ● VFB運(yùn)算放大器的簡化模型是大家耳熟能詳?shù)模心M電子教材中都有論述。

  ● VFB架構(gòu)適用于那些需要軌到軌輸入和輸出的低電源電壓應(yīng)用。

  CFB運(yùn)算放大器

  ● 另一方面,我們對電流反饋(CFB)運(yùn)算放大器的了解較少,相關(guān)文獻(xiàn)也不多。許多設(shè)計(jì)師選擇VFB運(yùn)算放大器,只是因?yàn)樗麄兏私膺@種放大器。

  ● CFB運(yùn)算放大器的開環(huán)增益和精度一般低于精密VFB運(yùn)算放大器。

  ● CFB運(yùn)算放大器的反相和同相輸入阻抗不相等,而且CFB運(yùn)算放大器的輸入偏置電流一般也是不相等且不相關(guān)的,因?yàn)?+)輸入端和(–)輸入端具有完全不同的架構(gòu)。為此,外部偏置電流取消機(jī)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(yùn)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(shè)置閉環(huán)增益以外,其反饋網(wǎng)絡(luò)的靈活性顯得不足。這使得CFB運(yùn)算放大器不適合多數(shù)有源濾波器,Sallen-Key濾波器除外,因?yàn)檫@種濾波器可以采用合適的固定反饋電阻進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖1總結(jié)了VFB和CFB運(yùn)算放大器的直流及運(yùn)行考慮因素。

  ● CFB架構(gòu)確實(shí)適用于軌到軌輸入和輸出。

VFB和CFB運(yùn)算放大器的直流及運(yùn)行考慮因素

  ? VFB運(yùn)算放大器

  ● 高開環(huán)增益和直流精度

  ● 提供低失調(diào)電壓(<20 μV)

  ● 提供低偏置電流(JFET、CMOS或偏置電流補(bǔ)償) (<200 fA)

  ● 平衡輸入阻抗

  ● 靈活的反饋網(wǎng)絡(luò)

  ● 提供軌到軌輸入和輸出

  ? CFB運(yùn)算放大器

  ● 較低的開環(huán)增益和直流精度

  ● 較高的失調(diào)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(shí)現(xiàn)最佳性能需使用固定反饋電阻

VFB和CFB運(yùn)算放大器的交流考慮因素

  VFB運(yùn)算放大器

  ● VFB運(yùn)算放大器的一個顯著特點(diǎn)是,它們可在較寬的頻率范圍內(nèi)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(yùn)算放大器,其針對低靜態(tài)電流采用了“H橋”架構(gòu)(指南MT-056)。

  ● VFB運(yùn)算放大器適用于各類有源濾波器架構(gòu),因?yàn)槠浞答伨W(wǎng)絡(luò)非常靈活。

  CFB運(yùn)算放大器

  ● CFB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(guān)CFB運(yùn)算放大器交流特性的詳細(xì)討論,請參閱指南MT-057。

  ● 對于給定的互補(bǔ)性雙極性IC工藝,CFB一般可在相同量的靜態(tài)電流下產(chǎn)生比VFB高的FPBW(因而具有較低的失真)。這是因?yàn)镃FB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(yùn)算放大器中使用的“H橋”架構(gòu)在性能上幾乎與CFB運(yùn)算放大器相當(dāng)(指南MT-056)。

  ● 不同于VFB運(yùn)算放大器,CFB運(yùn)算放大器的反相輸入阻抗極低。在反相模式下將運(yùn)算放大器作為I/V轉(zhuǎn)換器使用時,這是一種優(yōu)勢,因?yàn)槠鋵Ψ聪噍斎腚娙莸拿舾卸鹊陀赩FB。

  ● CFB運(yùn)算放大器的閉環(huán)帶寬由內(nèi)置電容以及外置反饋電阻的值決定,相對而言,是獨(dú)立于增益設(shè)置電阻的(即從反相輸入端到地的電阻)。這使得CFB運(yùn)算放大器成為要求增益獨(dú)立帶寬的可編程增益應(yīng)用的理想選擇。

  ● 由于CFB運(yùn)算放大器必須配合一個固定反饋電阻使用,才能實(shí)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(yīng)用是十分有限的。

  ● 在CFB運(yùn)算放大器中,其反饋電阻上較小的雜散電容值可能導(dǎo)致不穩(wěn)定。

VFB和CFB運(yùn)算放大器的交流考慮因素

  ? VFB運(yùn)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(luò)

  ● 適合有源濾波器

  ? CFB運(yùn)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(shí)現(xiàn)最佳性能需使用固定反饋電阻

  ● 雜散反饋電容導(dǎo)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(zhuǎn)換器應(yīng)用中的輸入電容影響

VFB和CFB運(yùn)算放大器的噪聲考慮因素

  VFB運(yùn)算放大器

  ● 市場上有些精密VFB運(yùn)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(yùn)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(shí)際值(指南MT-049)。

  ● 對于VFB運(yùn)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(guān)。寬帶雙極性VFB運(yùn)算放大器的典型值范圍為0.5 pA/√Hz至5 pA/√Hz。當(dāng)增加輸入偏置電流補(bǔ)償電路時,雙極性輸入級的輸入電流噪聲會提高,因?yàn)樗鼈兊碾娏髟肼暡幌嚓P(guān),因而會(以RRS方式)增加雙極性級的內(nèi)生電流噪聲。然而,偏置電流補(bǔ)償很少用在高速運(yùn)算放大器中。

  CFB運(yùn)算放大器

  ● CFB運(yùn)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(yùn)算放大器。其原因在于,CFB運(yùn)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(jié)果導(dǎo)致電壓噪聲降低。CFB運(yùn)算放大器的典型值范圍為1至5 nV/√Hz。

  ● 然而,CFB運(yùn)算放大器的輸入電流噪聲一般大于VFB運(yùn)算放大器,因?yàn)槠淦秒娏髌毡檩^高。CFB運(yùn)算放大器的反相電流噪聲和同相電流噪聲通常不同,因?yàn)樗鼈儾捎玫氖仟?dú)特的輸入架構(gòu),二者表示為獨(dú)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(yùn)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(dǎo)地位,但在電壓噪聲占主導(dǎo)地位的超高閉環(huán)增益下除外。

  計(jì)算噪聲的最佳方法是寫一個簡單的電子表格計(jì)算程序,以自動進(jìn)行計(jì)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(yùn)算放大器的噪聲考慮因素

  ? VFB運(yùn)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(guān)

  ● 計(jì)算總噪聲時必須考慮反饋網(wǎng)絡(luò)和外部電阻值

  ? CFB運(yùn)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(jì)算總噪聲時必須考慮反饋網(wǎng)絡(luò)和外部電阻值

總結(jié)

  對于多數(shù)通用或高精度低頻、低噪聲應(yīng)用,VFB運(yùn)算放大器通常是最佳選擇。VFB運(yùn)算放大器也非常適合單電源應(yīng)用,因?yàn)樵S多此類放大器提供軌到軌輸入和輸出。

  VFB運(yùn)算放大器具有極為靈活的反饋網(wǎng)絡(luò),因而適用于有源濾波器設(shè)計(jì)。

  CFB運(yùn)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(yùn)算放大器在有源濾波器中的應(yīng)用僅限于Sallen-Key等同相配置。

  ? 選擇VFB運(yùn)算放大器可獲得下列優(yōu)點(diǎn)

  ● 高精度、低噪聲、低帶寬

  ● 軌到軌輸入和輸出

  ● 反饋網(wǎng)絡(luò)靈活性

  ● 有源濾波器

  ? 選擇CFB運(yùn)算放大器可獲得下列優(yōu)點(diǎn)

  ● 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(xiàn)

  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.

(轉(zhuǎn)載)

標(biāo)簽:ADI 我要反饋 
2024世界人工智能大會專題
即刻點(diǎn)擊并下載ABB資料,好禮贏不停~
優(yōu)傲機(jī)器人下載中心
西克
2024全景工博會
專題報道