电流反馈运算放大器在高速I/O中的应用

2009-01-02 17:23:12来源: 互联网

  电流反馈的结构与电压反馈大不相同。电流反馈非常适合用于高速信号,因为它没有基础增益带宽积的限制,同时也由于其固有的线性度。电流反馈运算放大器的带宽略微受到增益的约束,但不像电压反馈器件那么严重。再者,压摆率并非受到内部偏置电流的限制,而是受到晶体管自身速度的限制。这样在给定偏置电流的条件下可以使用更快的压摆率,而不必采用正反馈或其它压摆率提升技术。
       
  电流反馈运算放大器有一个输入缓冲器,而不是一个差分线对。输入缓冲器一般是一个射极跟随器或其它类似的东西。非反相输入的阻抗很高,而缓冲器的输出(作为放大器的反相输入)则是低阻抗。相比之下,电压反馈放大器的两个输入端都为高阻抗。
       
  电流反馈运算放大器的输出是电压,并且它与流出或流入运算放大器反相输入端的电流有关,两者的关系满足一个复杂的函数,名为互阻抗 Z(s)。直流下的互阻抗值很大,并且与电压反馈运算放大器相似,会随频率的增加而单极滚降。



图 1 - Z(s) 与反馈电阻 RF.
       
  电流反馈运算放大器有可调带宽和可调整的稳定度。反馈电阻设定了闭环动态范围,并且会同时影响带宽和稳定度。电流反馈的一个最大优点就是有很好的大信号带宽。基于反馈电阻的应用,有很高的压摆率和可调带宽,使器件的大信号带宽非常接近于小信号带宽。并且,由于固有的线性度,高频大信号时也可以获得低的失真。   
  
  为什么 RF 值如此重要?
       
  反馈电阻的闭环特性使我们能够避免固定增益带宽的限制。这可以通过降低反馈电阻的值来实现,这样可以在提高增益的同时保持回路高增益。



图 2 - RF 对频率响应的作用
       
  图 2 是一个宽带视频放大器的实例。可以看到改变反馈电阻时带宽的变化情况。在曲线最右端 RF 等于 200 Ω,可以看到频率响应有相当大的尖峰。尖峰幅度几乎有 1/2 dB。该曲线亦有最大的带宽。当反馈电阻减小时,尖峰也进一步增加。电阻减小至 200 Ω 以下则很可能在脉冲响应上出现糟糕的振铃,如果电阻过低则会出现振荡。可以看到,RF=300 时的曲线和增益都相当平坦。并且与多尖峰的频响曲线相比,仍然能够保持不错的带宽。因此,我们无需放弃太多的带宽也能得到很好的稳定性。此外,当反馈电阻进一步增加时(例如 500 Ω),就可以缩窄频响范围。如果某个应用只需要 50 -60MHz 带宽,超出这个范围就会增加噪声,则可以用修改反馈电阻的办法调整频响范围。



图 3 – LMH6175 视频放大器,RF 对增益的作用
       
  图 3 出自同一器件的数据表。图中显示的是建议用于给定非反相增益的反馈电阻值。从图中可以看到,当增益为 1 时,需要 1KΩ 的反馈电阻才能得到最佳性能。这是因为回路增益非常高,因此需要用一支较大的电阻进行中和。这是与电压反馈结构的主要差异。电流反馈放大器不能用于输出端对反相输入端短路的结构。
       
  数据表中最常用的电阻是针对增益为 2 的情况。但是,从图 2 可以看到,最终采用的实际 电阻值有相当的灵活性。数据表建议值只是可选范围的中间值。再回来看图 3。在增益为 4 时,RF 降低至 150 Ω。增益设定电阻现在只有 50 Ω,因此,我们现在的状况`是:输 入缓冲电阻值与增益设定电阻值基本相同。这样会降低运算放大器的闭环互阻,并且在增益增大时开始限制带宽。在增益为 7 时,我们仍使用 300 Ω 反馈电阻。在这个增益下,我们不指望能得到电流反馈部件提供的带宽,并且,当增益高至 7 以上时,带宽随之下降,这非常像一个电压反馈的特点。另外还应注意,虚线部分表示的是:根据反相输入电阻或者放大器的稳定度,应该用于某款运算放大器的最低反馈电阻值。两种因素之一限制了可用反馈电阻的数量。
  
  电路板布局
       
  电流反馈运算放大器要仔细考虑的一个问题就是电路板布局,这也普遍适用于所有高速电路。电源旁路电容的布放需要非常靠近器件,一般要小于 3mm。电容需要两种,一种是较大的电解电容,它们可以稍微离器件远些;另一种是小型的瓷片旁路电容,它要紧紧挨着相关器件。小型瓷片旁路电容为极高速瞬变提供能量,并且完成器件旁的电源去耦任务。这些电容中的任何电感负载都会降低其作用效果。大家可能都知道要使用尽量大面积的电源、地层,从而为地电流和电源电流提供低阻抗路径。但是,还要注意去掉输入/输出引脚附近的电源、地层,这样可以减少这些引脚的寄生电容。


  反相输入引脚与反馈电阻对交流地的容抗要尽可能地小。另外,任何运算放大器的输入端也要有最小的容抗。
       
  尽量使用表面贴装元器件。因为它们的寄生电容最低。走线要短,如不能则可使用可控阻抗,则要在输入/输出引脚作传输线的双端终结。



图 4 – 寄生电容,1pF 反相入,1pF 出

  图 4 显示的只是少量寄生输入、输出电容对一个电流反馈运算放大器的作用。绿线是理想曲线。红线是由寄生电容而得到的尖峰频率响应。图 4 中反相输入端的寄生电容为 1pF,输出端也是 1pF。可以用增加反馈电阻的办法,抵消这少量的寄生负载。这也是电流反馈运算放大器的另一个优点。但是,如果电路板布局太差,即使采用了很大的反馈电阻,也会出现尖峰甚至产生振荡。   
  
  驱动容性负载



  
图 5 – 绝缘电阻与容性负载
       
  这是运算放大器中常用的一种技术,可以应用于电压反馈和电流反馈两种情况,用于将容性负载(特别是非常小的阻性负载)与电容输出隔离开来,例如驱动一个高速模数转换器。在运算放大器和容性负载间加一个 RISO 电阻。图中曲线显示了根据电容大小而建议使用的 RISO 值。图中是基于一支 1kΩ 的阻性负载。如果 RL 较小,则 RISO 的值也可以较小。另一种方法是将 RISO 放在反馈回路内(图中未显示)。除了图中将 RF 置于 RISO 和放大器之间的方法以外,还可以将 RF 连接到隔离电阻的输出端。这样保持了增益的准确性,但会丧失隔离电阻上的部分电压摆幅。
  
  降低系统噪声
       
  当用电流反馈运算放大器建立一个系统时,要进行设计规划,使输出噪声为最低。这在建立一个中放或低频射频放大器时尤其重要。如前所述,其中一项工作是要保证有低的频响尖峰。用推荐的反馈电阻值就可以做到这一点,有时还可以根据需要提高反馈电阻值。另一件要注意的事是交流耦合。同样,可以采用一个只允许所需频率通过的滤波器,将有用带宽以外的所有噪声切掉。最大增益电路块要尽量放在前面。增益越靠前,则对后面信号造成影响的噪声就越少。另外,也要把噪声最低的增益元件放在电路最前面。一般来说,应从低噪声放大器(如砷化镓元件)或极低噪声的分立元件获得增益。尽量避免采用大阻值源电阻。因为电阻增加的热噪声与电阻值成正比。
  
  电流反馈的注意事项
       
  如果你正在寻找一款可与电压反馈相比的电流反馈放大器,务请牢记下列注意事项:
       
  在电流反馈时,输入偏移电流不会抵消。它不是一个对称电路,因此两个电流间不存在固有的平衡。一般情况下,有较高输入阻抗的非反相输入端的输入偏置电流较小,而作为射极跟随器输出的反相输入端偏置电流较大。


  一款电流反馈器件上的失调电压可以进行匹配,使之变得很小,但不会为零。这不是一种自然的平衡,因此,一款电流反馈运算放大器的偏移电压指标不会好到与电压反馈设计一样的水平。
       
  缓冲结构需要一个反馈电阻。即使在缓冲结构中有现成的电压反馈放大器电路布局,也不能直接拿来就用,而需要对电流反馈部分作改动。
       
  最后,反馈回路中的电容会造成不稳定。较高频率的任何元件都会降低反馈至反相输入端网络的阻抗,随着反馈阻抗值的下降,会造成频响的尖峰。
  
  
总结
       
  电流反馈运算放大器常常是高速信号的最佳解决方案,此时需要大的输出波幅与极低的失真。可从电流反馈放大器稳定质量中获益的应用有:演示质量的视频线路驱动器和路由器、模数转换驱动器、中频放大器和时钟缓冲器等。对于信号保真度和高速度是主要目标的各种应用场合,电流反馈放大器都有自己的用武之地。

关键字:运算放大器

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2009/0102/article_1247.html
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