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(rèn)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

2、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。          (a)VFB運放輸入級    

3、60;      (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壓，而誤差信號是個電流，只有通過互阻抗來實現(xiàn)IV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

4、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方程，可得下式，這一步很容易理解。對方程進(jìn)行整以，乘以Rf，并移相把V-移到右邊，得到方程式1：   （方程式1）(2)又由于V+輸入端到V-輸入端是一個增益為，輸出阻抗為Ri的跟隨電路?？梢缘玫絍-輸入端的電壓值：  （方程式2）(3)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：這樣我們得到下面的誤差電流的表達(dá)式：（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：(5)對上式進(jìn)行整理得出Vo/V+, 即

5、電流反饋CFB運放的閉環(huán)增益：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理想模型來簡化上式：其中，Ri=0。則上式就可以簡寫為：其中 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(jìn)行對比。到這里，我們可以放下筆，仔細(xì)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)，也就是閉環(huán)增

6、益：其中第二步到第三步的變化就是將分子分母同進(jìn)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(jìn)行對比，仔細(xì)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(xì)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，AF相對于1是一個很大的值。因此1/AF的近似為0，則增益就近似等于1/F。也就是外

7、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：            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。· 這一小節(jié)我們將深入分析CFB運放的傳遞函數(shù)，并從環(huán)路增益出發(fā)，闡述CF

8、B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：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。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?fù)向輸入端V-的電阻Ri假設(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(jìn)去。剛CFB運放的