電流反饋型運放原理分析和問題解析

1、剛開始使用電流反饋型運放時，總會從資料上看到這樣的信息:電流反饋型運放直流特性不好，適合放大高頻的交流信號；帶寬不因頻率增加而減小，也就是沒有增益帶寬積的概念； 再深一點，CFB運放的 反饋電阻需為恒定的值。為了弄清楚這些問題，我看過很多英文應(yīng)用手 冊。但看完之后，總覺得云里霧里，不知所云。終有一天，認真推導(dǎo)了 電流反饋運放傳遞函數(shù)后恍然大悟， 從理論上明白了電流反饋運放的原 理?，F(xiàn)在整理總結(jié)一下我的學(xué)習(xí)過程，希望對大家有用。我們開始研究電流反饋型CFB運放就從下面這個原理框圖開始。首先，CFB運放的輸入端不是電壓反饋型放大電路的差分輸入端，而是一個從V+到V-輸入端的一個增益為的跟隨電路，這

2、個增益非 常接近于1,實際約為0.996或更高的值，但肯定小于1.00。（如下圖 所示的CFB與VFB輸入級的對比）這個跟隨輸入極有一個輸出電阻Ri,理論上這個電阻應(yīng)該等于 0,但實際上為幾歐到幾十歐的水平。 用于 反饋的誤差電流信號就從 Ri上流過從V-端口流出或流入。關(guān)于CFB運放的輸入級以后會專門拿出一小節(jié)來分析，且耐心等待。這里只要理解為電流反饋運放的輸入級是一個從 V+至V-的跟隨器就好了。GUI(a)VFB運放輸入級(b)CFB運放輸入級誤差電流通過鏡像到第二級的增益阻抗 Z(s)上形成電壓。注意， CFB運放的第二級不是電壓增益 G,而是互阻增益Z(s)。這是因為運 放的輸出是電

3、壓，而誤差信號是個電流，只有通過互阻抗來實現(xiàn)I-V變換。Rg和Rf是用于設(shè)定增益的反饋網(wǎng)絡(luò)電阻。與 VFB運放很相似, 很好理解。上一小節(jié)從CFB運放的原理框圖解釋了 CFB的內(nèi)部原理。這一小節(jié)我 們就來用簡單的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)一下 CFB運放的傳遞函數(shù)，從而揭示為 什么CFB運放為什么需要固定反饋電阻的值。還是看著下面的圖，請拿出筆來紙來，如果想真正搞明白電流反饋運放 的傳遞函數(shù)公式，明白的像電壓反饋運放那樣的話，一定拿出筆來，一 步一步的推導(dǎo)。(1)對V-輸入端建立KCL萬程，可得下式，這一步很容易理解。. V。vV-rerr+r= %對方程進行整以，乘以 Rf,并移相把V-移到右邊，得到方程

4、式1:(2)又由于V+輸入端到V-輸入端是一個增益為口，輸出阻抗為Ri的跟隨電路?？梢缘玫?V-輸入端的電壓值:V = a(S)V-1err Ri(方程式2)又由于運放的輸出電壓等于，誤差電流Ierr乘以第二級的互阻抗:ierrZ(s) = Vo這樣我們得到下面的誤差電流的表達式：Z(s)(方程式3)(4)將方程式2和方程式3代入方程式1得到下式:日峙 + v危(a(s)V+ -Z(s) o 、i J Z(s)(5)對上式進行整理得出 Vo/V+,即電流反饋CFB運放的閉環(huán)增益:叫 S)(i y)9Z(s)到了上面的這一步，推導(dǎo)成功了一大半了。請再耐心的分析一下，我們 用CFB理想模型來簡化上

5、式：其中 a(S) 1 , Ri=0。則上式就可 以簡寫為:1 + 1 1 V。_十七_ F "一1 +互1+互十 Z(s) 1 ' Z(s)F =其中RgRg+Rf為外部電組網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的電壓反饋系數(shù)。之所以這樣寫是方便與電壓反饋型運放進行對比。到這里，我們可以放下筆，仔細端詳一下這個公式，并聯(lián)想一下 VFB運放的傳遞函數(shù)，還沒看出門道， 那就再看看。要知后事如何，請聽下回分解。這一小節(jié)我們將回顧電壓反饋型運放的傳遞函數(shù)的特性，并與電流反饋CFB運放的傳遞函數(shù)與相對比。 最后闡述VFB運放存在增益帶 寬積GBW的根本原因。且向下看：我們先回顧一下電壓反饋型運放的傳遞函數(shù)，也就是

6、閉環(huán)增益:1A FGain =廠1 + AF 1 工 11 +AF其中第二步到第二步的變化就是將分子分母同進除以 AF , （AF也稱之 為放大電路的環(huán)路增益）。我們將VFB運放的閉環(huán)增益方程與 CFB運 放的閉環(huán)增益方程放在一起進行對比，仔細端詳上面的式子，分子上都一樣，不同的是分母上的部分。我們把 VFB的分母中的AF稱之為環(huán)路增益，也是我們管他們叫這個，而是他們本來就是環(huán)路增益。因此 CFB運放的Z(s)/Rf，也就是CFB運放的 環(huán)路增益loop Gain。下面我們就仔細分析一下運放的環(huán)路增益，并揭示 VFB運放的增益帶 寬積的本質(zhì)。記得在大學(xué)學(xué)模電時，學(xué)到VFB閉環(huán)增益時，會這樣講，

7、AF相對于1是一個很大的值。因此1/AF的近似為0,貝U增益就近似等 于1/F。也就是外部電阻設(shè)定的增益值。但上面忽略了一個問題，就是 運放的開環(huán)增益會隨著頻率的升高而降低，如下圖：OPA333因此隨著頻率的增加開環(huán)增益總能下降到與反饋系數(shù)1/F的倒數(shù)相同的時候。此時的AF=1，并且對于不同的反向系數(shù) F (也就是不同的閉環(huán)設(shè)定增益)，使AF=1的頻率也不同。此時的閉環(huán)增益如下式， 看上去,增益下降為設(shè)定增益的1/F二分之一了。這一個點就是放大電路的閉環(huán) 帶寬。本質(zhì)由運放的開環(huán)增益隨頻率上升而下降所決定的。1 1Gain . *1 + AF 11 + 12 F1 + AF這一小節(jié)我們將深入分析

8、CFB運放的傳遞函數(shù)，并從環(huán)路增益出 發(fā)，闡述CFB運放的帶寬與反饋系數(shù)F無關(guān)。對于CFB運放的環(huán)路增益為Z(s)/Rf，如果我們假設(shè)Z(s)在任何頻率都是恒定的。只要選定 Rf,則CFB運放的環(huán)路增益也會是恒定的，如下式：1 + 業(yè) 11金 _ _T _(、 V+ 1 +互1+互1 + _1_1 十 Z(s)1 十 Z(s)1 十 loop Gain當(dāng)然Z(s)也不可能是完全恒定的，它也有像 VFB運放開環(huán)增益Aol的 特性，如下圖是電流反饋運放的互阻抗的曲線。只是它的主極點頻率偏 高。當(dāng)Rf (下圖的R2)選定后，環(huán)路增益的帶寬也就確定了，不會隨 著反饋系數(shù)F的改變而改變。Q (dec)R

9、f(deG)OA-31因此，我們現(xiàn)在就可以理解，為什么 CFB運放的帶寬不隨增益而改變 這一問題了。本質(zhì)原因就是，CFB運放的帶寬不是由運放反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)F與開環(huán)增益Z(s)所決定。而只是由反饋電阻Rf和開環(huán)增益阻 抗所決定。在第2小節(jié)里我們?yōu)榱吮阌诜治鰧⒇撓蜉斎攵薞-的電阻R"畏設(shè)成理想 的0歐。這一假設(shè)便于分析，但并不能反應(yīng)事實。因此，現(xiàn)在我們再把Ri考慮進去。剛CFB運放的環(huán)圖增益就表示為:Loop Gain (LG)=十心儻)因此，前面提到的要使CFB運放的帶寬恒定，需要將 Rf設(shè)定為恒定的 值。實際情況是將下式設(shè)定為常數(shù):=constantZ： = Rf + Rj(l + Rf/Rg) = Rf + Rj * Gnoise這也就解釋了為什么在不同增益下，需要設(shè)置不同的 Rf值，并且增益越高，反饋電阻Rf值選取的越低。如下圖是THS3001運放在不同增益 下的推薦電阻值：Table 1,