電流型運(yùn)算放大器在應(yīng)用電路中的特性研究

陳路瑤，黃光明，馬 麗，唐小峰，劉蘊(yùn)婷，黃聿琛

（1．華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074；2．華中師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢 430079；3．北京大學(xué)深圳研究生院 信息工程學(xué)院 廣東 深圳 518001；4．東北師范大學(xué) 物理學(xué)院 吉林 長春 130027；5．武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院 湖北 武漢 430072）

運(yùn)算放大器是多種模擬電路系統(tǒng)以及通信信號處理系統(tǒng)電路中常用的重要器件之一。按反饋類型可以將運(yùn)算放大器分為電流反饋型運(yùn)放（CFOA）和電壓反饋型運(yùn)放（VFOA）兩種。

傳統(tǒng)的運(yùn)放均為電壓型（VFOA），以電壓作為輸入和輸出信號。當(dāng)同相輸入端和反相輸入端有差值電壓時(shí)，電路產(chǎn)生響應(yīng)，逐級放大后，獲得相應(yīng)的輸出電壓。

電流型運(yùn)算放大器（CFOA）以電流為輸入信號，以電壓為輸出信號。當(dāng)其同相輸入端與反向輸入端產(chǎn)生差值電流時(shí)，電路產(chǎn)生響應(yīng)，逐級放大后，最終轉(zhuǎn)換成電壓輸出。

文中所研究的運(yùn)放為電流反饋型運(yùn)放，由于具有更高的轉(zhuǎn)換速度和帶寬，適合應(yīng)用于音頻、視頻、通訊設(shè)備以及高速網(wǎng)絡(luò)中。

1 電流型運(yùn)放的特性

1.1 增益帶寬特性

以VFOA為標(biāo)準(zhǔn)部件的模擬網(wǎng)絡(luò)在模擬信號處理電路中獲得了廣泛應(yīng)用，但它存在著明顯的缺點(diǎn)：VFOA構(gòu)成的放大電路閉環(huán)增益與其-3 dB帶寬的乘積是常數(shù)，當(dāng)帶寬向高頻區(qū)域擴(kuò)展時(shí)，增益成比例下降；在大信號下輸出電壓的最高轉(zhuǎn)換速率很低，一般只有0．2～20 V/μS。這些固有缺點(diǎn)嚴(yán)重阻礙了VFOA在高速電路中的應(yīng)用。新型電流型運(yùn)放克服了這些缺陷。

圖1為電流型運(yùn)放構(gòu)成反相比例放大電路的等效電路結(jié)構(gòu)，由圖及“虛短”、“虛斷”可以推導(dǎo)，圖所示的的增益表達(dá)式為：

圖1 電流型運(yùn)放構(gòu)成同相比例放大電路Fig．1 Same phase ratio amplifier circuit consisted of CFOA

由公式（3）可知，對于給定的器件，可用R2調(diào)節(jié)帶寬，用R2和R1控制閉環(huán)增益AVF，以實(shí)現(xiàn)二者的獨(dú)立調(diào)節(jié)，或者在不同的增益下基本實(shí)現(xiàn)恒定帶寬，這一點(diǎn)將與傳統(tǒng)電壓型運(yùn)放的增益帶寬積為常量的性能完全不同。

1.2 壓擺率

典型電流型運(yùn)放結(jié)構(gòu)可以表示為圖2所示，在該結(jié)構(gòu)中，影響壓擺率的是第二級兩個(gè)晶體管對補(bǔ)償電容CC和寄生電容的充電速度和電流大小。且有補(bǔ)償電容和寄生電容越小，充電的電流越大，則壓擺率越大。由于電流型運(yùn)放中這兩個(gè)晶體管的電流是動態(tài)提供的，電流值沒有限制，在階躍或過載條件下，隨著晶體管電流的增加，過載條件迅速排出，因此電流型運(yùn)放具有較高壓擺率。由于具有優(yōu)良的壓擺率性能，電流型運(yùn)放在大信號處理方面具有明顯的優(yōu)勢，應(yīng)用廣泛。

圖2 電流型運(yùn)放的結(jié)構(gòu)簡化圖Fig．2 Structure simplified diagram of CFOA

2 電流型運(yùn)放在實(shí)際應(yīng)用電路中的指標(biāo)測試

2.1 負(fù)阻變換器

2.1.1 放大器實(shí)現(xiàn)負(fù)阻變換器

負(fù)阻現(xiàn)象指某些器件在某種條件下，當(dāng)電流（或電壓）增加時(shí)電壓（或電流）反而減少的現(xiàn)象。可以用運(yùn)算放大器構(gòu)成負(fù)阻變換器（Negative Impedance Converter，NIC）實(shí)現(xiàn)負(fù)阻，如圖3所示。

圖3 運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)負(fù)阻器Fig．3 Negative impedance converter consists of operational amplifier

假設(shè)運(yùn)算放大器是理想的，由于“虛短”和“虛斷”，有：

由以上分析可知，“虛短”和“虛斷”的成立是實(shí)現(xiàn)負(fù)阻變換的關(guān)鍵。要想相對于反饋電流忽略基極電流的影響，則應(yīng)該使得反饋電流與基極電流之間存在如下關(guān)系：I˙3＞＞I˙+，I˙4＞＞I˙_。

2.1.2 電壓型運(yùn)放實(shí)現(xiàn)負(fù)阻變換器測試

采用典型電壓型運(yùn)放OPA227構(gòu)造負(fù)阻變換器，測量電路中反饋電阻（以負(fù)反饋電阻R2為例）的線性范圍。如圖4所示，為電壓型運(yùn)放組成的負(fù)阻變換器的負(fù)載線性曲線。由圖可知OPA227構(gòu)成負(fù)阻變換器的負(fù)阻不宜太大或太小，一般范圍是100Ω～5 kΩ。

圖4 VFA構(gòu)成負(fù)阻的負(fù)載特性曲線Fig．4 Load characteristic curve of the NICwhich consists of VFOA

2.1.3 電流型運(yùn)放實(shí)現(xiàn)負(fù)阻變換器測試

由于電流型運(yùn)算放大器具有較大的基極電流，而負(fù)阻器成立的條件是基極電流相對反饋電流可以忽略不計(jì)，因此理論上使用電流型運(yùn)放構(gòu)成負(fù)阻變換器，將會使得各負(fù)載電阻、比例系數(shù)、反饋電阻以及電源電壓指標(biāo)具有相對較小的線性范圍。按照圖7的電路形式利用AD8009構(gòu)成負(fù)阻變換器，在盡量保證基極電流相對反饋電流可忽略的條件下，反饋電阻阻值應(yīng)偏小。圖5為AD8009構(gòu)成負(fù)阻器的負(fù)載特性曲線。由圖可明顯看到，電流型運(yùn)放構(gòu)成的負(fù)阻變換器較電壓型運(yùn)放組成的負(fù)阻變 換器在精度、線性度以及負(fù)載線性范圍等方面都有明顯的不足，即典型電流型運(yùn)放不適合做負(fù)阻器件。這一點(diǎn)主要與電流型運(yùn)放具有較大反相基極電流有關(guān)。

圖5 CFA構(gòu)成負(fù)阻的負(fù)載特性曲線Fig．5 Load characteristic curve of the NIC which consists of VFOA

2.2 電壓跟隨器

在同相比例運(yùn)算電路中，若將輸出電壓的全部反饋到反相輸入端，就構(gòu)成電壓跟隨器。電壓跟隨器的顯著特點(diǎn)就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來說，輸入阻抗要達(dá)到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通?？梢缘綆讱W姆，甚至更低。當(dāng)輸入阻抗很高時(shí)，就相當(dāng)于對前級電路開路；當(dāng)輸出阻抗很低時(shí)，對后級電路就相當(dāng)于一個(gè)恒壓源，即輸出電壓不受后級電路阻抗影響。因此，電壓跟隨器經(jīng)常起緩沖、隔離、提高帶載能力的作用。

2.2.1 電壓型運(yùn)放實(shí)現(xiàn)電壓跟隨器測試

對于電壓型運(yùn)算放大器而言，構(gòu)成電壓跟隨器的電路如圖6所示，直接將放大器輸出端接到反相輸入端，形成單位增益放大器。以電壓型運(yùn)放OPA227為例，構(gòu)成電壓跟隨器，測量電路的頻率特性，繪制輸出頻率響應(yīng)圖形如圖7所示。

圖6 VFOA構(gòu)成電壓跟隨器電路Fig．6 Voltage followerwhich consists of VFOA

圖7 VFOA構(gòu)成電壓跟隨器的頻率特性曲線Fig．7 Amplitude-frequency characteristic curve of the voltage follower which consists of VFOA

由圖11可知，電壓型運(yùn)放構(gòu)成電壓跟隨器時(shí)在低頻段具有較好的穩(wěn)定性，但是由于帶寬限制，工作頻率并不高，圖中由OPA227構(gòu)成的電壓跟隨器的-3 dB帶寬約為7．8MHz。

2.2.2 電流型運(yùn)放實(shí)現(xiàn)電壓跟隨器測試

由于電流型運(yùn)算放大器反相輸入端的輸入電阻很低，RF不能為零，RF=0相當(dāng)于輸出端直接與反相輸入端相連，這樣相當(dāng)于輸出端短路，會使CFA過熱而燒毀，或?qū)е逻^流過熱保護(hù)而無輸出。因此由電流型運(yùn)放構(gòu)成電壓跟隨器時(shí)，必須在放大器輸出端與反相輸入端之間串接一個(gè)電阻。

針對不同的電流型運(yùn)算放大器，在構(gòu)成電壓跟隨器時(shí)，反饋電阻的選擇對電路的跟隨特性、頻率特性等有較大影響。利用電流型運(yùn)算放大器AD8009按圖8所示電路連接成電壓跟隨器。改變反饋電阻，測量電路頻率響應(yīng)，得到圖9所示不同反饋電阻對應(yīng)的電壓跟隨器的頻率響應(yīng)曲線（只取頻率特性相對較好、頻帶相對較寬、精度相對較高的3條曲線展示）。

由圖9可知，由CFOA構(gòu)成的電壓跟隨器，具有更寬的-3 dB帶寬，但其頻率特性不及VFOA構(gòu)成的電壓跟隨器穩(wěn)定，且與反饋電阻的取值有一定的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)電阻小于510Ω時(shí)，電路頻帶過寬，容易自激。分析附錄中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及圖示，可以知道，當(dāng)反饋電阻取值過大，大于2 kΩ時(shí)，電路的頻率特性明顯變差，精度急速下滑，因此當(dāng)運(yùn)用電流反饋型運(yùn)算放大器做電壓跟隨器時(shí)，一定要選擇合適的反饋電阻。

圖9 CFOA構(gòu)成電壓跟隨器的頻率特性曲線Fig．9 Amplitude-frequency characteristic curve of the voltage follower which consists of CFOA

2.3 同相比例運(yùn)算電路

如圖10所示為同相比例運(yùn)算電路，電路引入了電壓串聯(lián)負(fù)反饋，故可以認(rèn)為輸入電阻為無窮大，輸出電阻為零。根據(jù)“虛短”和“虛斷”的概念，集成運(yùn)放的凈輸入電壓為零，即：

式（5）表明 uO與 uI同相且大于 uI。

圖10 同相比例放大電路Fig．10 Same phase ratio amplifier circuit

2.3.1 VFOA實(shí)現(xiàn)同相比例放大器測試

利用電壓反饋型運(yùn)算放大器OPA227構(gòu)成同相比例放大電路，保證反饋電阻阻值不變，測量不同增益下放大電路的帶寬特性。如圖11為電壓型運(yùn)放增益帶寬特性曲線。

圖11 VFOA構(gòu)成同相比例放大電路的頻率響應(yīng)Fig．11 Amplitude-frequency characteristic curve of the same phase ratio amplifierwhich consists of VFOA

根據(jù)所測數(shù)據(jù)列出不同增益下VFOA同相比例放大器的帶寬如表1所示，計(jì)算增益帶寬積可知，VFOA構(gòu)成比例放大器時(shí)，帶寬會隨著增益的增大成比例的變窄，這一缺陷限制了電壓型運(yùn)放在高增益大帶寬要求下的應(yīng)用。

表1 VFOA構(gòu)成同相比例放大電路參數(shù)Tab.1 Param eters of the sam e phase amplifier circuit which consists of VFOA

2.3.2 CFOA實(shí)現(xiàn)同相比例放大器測試

利用電流反饋型運(yùn)算放大器THS3121構(gòu)成同相比例放大電路，保證反饋電阻阻值為1 kΩ不變，測量不同增益下放大電路的帶寬特性。如圖12為電流型運(yùn)放增益帶寬特性曲線。

圖12 CFOA構(gòu)成同相比例放大電路的頻率響應(yīng)Fig．12 Amplitude-frequency characteristic curve of the same phase ratio amplifierwhich consists of CFOA

同理根據(jù)所測數(shù)據(jù)列出不同增益下同CFOA相比例放大器的帶寬如表2所示，分析數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著放大倍數(shù)的增加，CFOA構(gòu)成的比例放大電路的-3 dB帶寬雖會在減小，但不及VFOA構(gòu)成的比例放大電路明顯，且增益帶寬積斷然不可能是常數(shù)。因此可以說明，由電流反饋型運(yùn)算放大器構(gòu)成的比例放大器的帶寬并不會隨著增益的增大成比例變小。正是由于這一點(diǎn)，CFOA被廣泛應(yīng)用在對頻率增益要求高的電路中。

表2 CFOA構(gòu)成同相比例放大電路參數(shù)Tab.2 Param eters of the sam e phase amplifier circuit which consists of CFOA

3 結(jié)束語

文中通過理論推導(dǎo)和對實(shí)際電路的測試，發(fā)現(xiàn)電流型運(yùn)放可以在增益較大的電路中保證較寬的帶寬，且具有很大的轉(zhuǎn)換速率，因此十分適用于高速電路。由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的差異，使用電流型運(yùn)放構(gòu)建電壓跟隨器的時(shí)候與使用電壓型運(yùn)放的時(shí)候，電路結(jié)構(gòu)存在差異，根據(jù)所用電流型運(yùn)放芯片的不同合理選擇反饋電阻是保證良好電壓跟隨特性的關(guān)鍵。電流型運(yùn)放的基極電流較大，因此不適合構(gòu)建要求基極電流可以忽略的負(fù)阻變換器。本文小結(jié)了電流型運(yùn)放的選型依據(jù)。在具體應(yīng)用電路中，一定要結(jié)合應(yīng)用電路及電流型運(yùn)放的特性合理選擇芯片。

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