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电流反馈和电压反馈具有不同的应用优势。在很多应用中#xff0c;CFB和VFB的差异并不明显。当今的许多高速CFB和VFB放大器在性能上不相上下#xff0c;但各有其优缺点。本指南将考察与这两种拓扑结构相关的重要考虑因素。…VFB电压反馈和CFB电流反馈运算放大器(运放)选择指南
电流反馈和电压反馈具有不同的应用优势。在很多应用中CFB和VFB的差异并不明显。当今的许多高速CFB和VFB放大器在性能上不相上下但各有其优缺点。本指南将考察与这两种拓扑结构相关的重要考虑因素。
VFB和CFB运算放大器的直流及运行考虑因素
VFB运算放大器
对于要求高开环增益、低失调电压和低偏置电流的精密低频应用VFB运算放大器是正确的选择。高速双极性输入VFB运算放大器的输入失调电压很少进行微调因为输入级的失调电压匹配十分出色一般为1至3mV失调温度系数为5至15uV/C。在微调后可实现低于20uV的输入失调电压。采用自稳零架构的运算放大器可提供低于5uV的失调电压但我们在此不予考虑。
VFB运算放大器上的输入偏置电流无输入偏置电流补偿电路在 输入端和 -)输入端大致相等范围为 1至5uA。有的FET输入运算放大器的输入偏置电流不到200fA适用于静电计等应用。如下图AD549。
因输入偏置电流引起的输出失调电压可以归零其方法是反相和同相输入端中的有效源电阻相等。这种方法对于偏置电流补偿VFB运算放大器无效因为这类放大器的输入端有额外的电流误差源。在这种情况下净输入偏置电流不一定相等也不一定具有相同的极性。
VFB运算放大器在反馈网络控制着整体响应的应用中十分有用比如有源滤波器应用。然而有些VFB运算放大器是经过非完全补偿处理的使用时必须超过其额定的最低闭环增益。
VFB运算放大器的简化模型是大家耳熟能详的所有模拟电子教材中都有论述。
VFB架构适用于那些需要轨到轨输入和输出的低电源电压应用。
CFB运算放大器
另一方面我们对电流反馈CFB运算放大器的了解较少相关文献也不多。许多设计师选择VFB运算放大器只是因为他们更了解这种放大器。
CFB运算放大器的开环增益和精度一般低于精密VFB运算放大器。
CFB运算放大器的反相和同相输入阻抗不相等而且CFB运算放大器的输入偏置电流一般也是不相等且不相关的因为 输入端和 -输入端具有完全不同的架构。为此外部偏置电流取消机制也不起作用。 CFB输入偏置电流的范围为 5至15uA在反相输入端一般都较高。
由于CFB运算放大器一般是针对一个固定的反馈电阻值而优化的因此除设置闭环增益以外其反馈网络的灵活性显得不足。这使得CFB运算放大器不适合多数有源滤波器Sallen-Key滤波器除外因为这种滤波器可以采用合适的固定反馈电阻进行设计。
CFB架构确实适用于轨到轨输入和输出。
VFB和CFB运算放大器的直流及运行考虑因素比较
VFB运算放大器
高开环增益和直流精度 提供低失调电压 提供低偏置电流JFET、CMOS或偏置电流补偿(200fA) 平衡输入阻抗 灵活的反馈网络 提供轨到轨输入和输出
CFB运算放大器
较低的开环增益和直流精度 较高的失调电压 反相输入阻抗低同相输入阻抗高 输入偏置电流不如VFB低并且匹配程度不如VFB 实现最佳性能需使用固定反馈电阻
VFB和CFB运算放大器的交流考虑因素
VFB运算放大器
VFB运算放大器的一个显著特点是它们可在较宽的频率范围内提供恒定的增益带宽积。 另外市场上有高带宽、高压摆率、低失真VFB运算放大器其针对低静态电流采用了H桥架构。 VFB运算放大器适用于各类有源滤波器架构因为其反馈网络非常灵活。
CFB运算放大器
CFB拓扑结构主要用于对高带宽、高压摆率和低失真有极高要求的场合。 对于给定的互补性双极性IC工艺CFB一般可在相同量的静态电流下产生比VFB高的FPBW因而具有较低的失真。这是因为CFB几乎不存在压摆率限制。为此其全功率带宽和小信号带宽大约相同。然而高速VFB运算放大器中使用的H桥架构在性能上几乎与CFB运算放大器相当。 不同于VFB运算放大器 CFB运算放大器的反相输入阻抗极低。在反相模式下将运算放大器作为I/V转换器使用时这是一种优势因为其对反相输入电容的敏感度低于VFB。
CFB运算放大器的闭环带宽由内置电容以及外置反馈电阻的值决定相对而言是独立于增益设置电阻的即从反相输入端到地的电阻。这使得CFB运算放大器成为要求增益独立带宽的可编程增益应用的理想选择。 由于CFB运算放大器必须配合一个固定反馈电阻使用才能实现最佳稳定性因此在除Sallen-Key滤波器以外它们作为有源滤波器的应用是十分有限的。 在CFB运算放大器中其反馈电阻上较小的杂散电容值可能导致不稳定。
VFB和CFB运算放大器的交流考虑因素比较
VFB运算放大器
恒定的增益带宽积 提供高压摆率和高带宽 提供低失真版本 灵活的反馈网络 适合有源滤波器
CFB运算放大器
各种闭环增益下的带宽相对恒定 增益带宽积不恒定 针对特定工艺和功耗提供略高的压摆率和带宽相比VFB而言 提供低失真版本 实现最佳性能需使用固定反馈电阻 杂散反馈电容导致不稳定 难以用于非Sallen-Key型有源滤波器 低反相输入阻抗降低 转换器应用中的输入电容影响
VFB和CFB运算放大器的噪声考虑因素
VFB运算放大器
市场上有些精密VFB运算放大器的输入电压噪声不到1nV/Hz。多数JFET或CMOS输入VFB运算放大器的输入电流噪声低于100fA/Hz有些则低于1fA/Hz。然而总输出噪声不但取决于这些值同时也取决于闭环增益和反馈电阻的实际值。 对于VFB运算放大器反相和同相输入电流噪声一般相等而且几乎总是不相关。宽带双极性VFB运算放大器的典型值范围为0.5pA/hZ 至5pA/Hz。当增加输入偏置电流补偿电路时双极性输入级的输入电流噪声会提高因为它们的电流噪声不相关因而会以RRS方式增加双极性级的内生电流噪声。然而偏置电流补偿很少用在高速运算放大器中。
CFB运算放大器
CFB运算放大器中的输入电压噪声一般低于带宽与之近似的VFB运算放大器。其原因在于CFB运算放大器中的输入级一般在较高的电流下工作从而使发射极电阻下降结果导致电压噪声降低。 CFB运算放大器的典型值范围为 1至5nV/Hz。 然而CFB运算放大器的输入电流噪声一般大于VFB运算放大器因为其偏置电流普遍较高。CFB运算放大器的反相电流噪声和同相电流噪声通常不同因为它们采用的是独特的输入架构二者表示为独立的规格参数。多数情况下反相输入电流噪声是二者中较大者。 CFB运算放大器的典型输入电流范围为 5至40pA/Hz。这往往可能占据主导地位但在电压噪声占主导地位的超高闭环增益下除外。
计算噪声的最佳方法是写一个简单的电子表格计算程序以自动进行计算其中要包括所有噪声源。
VFB和CFB运算放大器的噪声考虑因素比较
VFB运算放大器
提供低电压噪声(1nV/Hz) 提供低电流噪声JFET和CMOS输入 反相和同相输入电流噪声相等且不相关 计算总噪声时必须考虑反馈网络和外部电阻值
CFB运算放大器
低电压噪声 1至5nV/Hz 较高的电流噪声 5至40pA/Hz通常是主要因素 计算总噪声时必须考虑反馈网络和外部电阻值
总结
对于多数通用或高精度低频、低噪声应用VFB运算放大器通常是最佳选择。 VFB运算放大器也非常适合单电源应用因为许多此类放大器提供轨到轨输入和输出。 VFB运算放大器具有极为灵活的反馈网络因而适用于有源滤波器设计。 CFB运算放大器具有最佳带宽、压摆率和失真性能但牺牲的是直流性能、噪声以及使用固定值反馈电阻的要求。 CFB运算放大器在有源滤波器中的应用仅限于Sallen-Key等同相配置。
VFB与CFB运算放大器总结
选择VFB运算放大器可获得下列优点
高精度、低噪声、低带宽 轨到轨输入和输出 反馈网络灵活性 有源滤波器
选择CFB运算放大器可获得下列优点
超高带宽、压摆率和极低失真 不同增益下的带宽相对恒定 Sallen-Key有源滤波器
