電流反饋型運(yùn)放原理分析和問題解析

1、電流反饋型運(yùn)放原理分析和問 題解析. 剛開始使用電流反饋型運(yùn)放時， 總會從資料上看到這樣的信息： 電流反饋型運(yùn)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(diǎn)， CFBCFB 運(yùn)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(yùn)放傳遞函數(shù)后恍然大悟，從理 論上明白了電流反饋運(yùn)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 CFBCFB 運(yùn)放就從下面這個原理框圖開始。首先，CFBCFB 運(yùn)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+V+到 V-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 1，實(shí)際約為 0.9960.996 或更高的值，但肯定小于 1.001.00。（如下圖所示的 CFCFB B與 VFBVFB 輸入級的對比）這個跟隨輸-J入極有一個輸出電阻Ri,Ri,理論上這個電阻應(yīng)該等于 0,0,但實(shí)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RiRi 上流過從 V-V-端口流出或流入。關(guān)于 CFBCFB 運(yùn)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(yùn)放的輸 入級是一個從 V+V+至 V-V-的跟隨器就好了。誤差電流通過鏡像到第

3、二級的增益阻抗Z(s)Z(s)上形成電壓。注意，CFBCFB 運(yùn)放的第二級不是電壓增益 G G，而是互阻增益 Z(s)Z(s)。這 是因?yàn)檫\(yùn)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(shí)現(xiàn) I I V V 變換。(a)VFB(a)VFB 運(yùn)放輸入級(b)CFB(b)CFB 運(yùn)放輸入級RgRg 和 RfRf 是用于設(shè)定增益的反饋網(wǎng)絡(luò)電阻。 與 VFBVFB 運(yùn)放很相似，很好理解。上一小節(jié)從 CFBCFB 運(yùn)放的原理框圖解釋了 CFBCFB 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 CFBCFB 運(yùn)放的傳遞函數(shù), 從而揭示為什么 CFBCFB 運(yùn)放為什么需要固定反饋電阻的值。

4、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(yùn)放的傳遞函數(shù)公式，明白的像電壓反饋運(yùn)放那樣的話，一定拿出筆來，一步一步的推導(dǎo)。(1)(1)對 V-V-輸入端建立 KCLKCL 萬程，可得下式，這一步很容易理解。對方程進(jìn)行整以，乘以 RfRf,并移相把 V-V-移到右邊，得到方程式 1 1 :+ Vo= r（1+Rf/R ）(方程式 1 1)又由于 V+V+輸入端到 V-V-輸入端是一個增益為 ，輸出阻抗為 RiRi的跟隨電路。可以得到 V-V-輸入端的電壓值:又由于運(yùn)放的輸出電壓等于，誤差電流 IerrIerr 乘以第二級的互阻抗:占Z(s)二V。這樣我們得到下面的誤差電流的表達(dá)式

5、：. .= =VoVo也 Z Z(方程式 3 3)(4)(4)將方程式 2 2 和方程式 3 3 代入方程式 1 1 得到下式:(5)(5)對上式進(jìn)行整理得出 VO/V+,VO/V+,即電流反饋 CFBCFB 運(yùn)放的閉環(huán)增益:V二a(S)V+(方程式 2 2)Z(s)* * V Vo o= = (a(s)V(a(s)V+ +Z(s)到了上面的這一步，推導(dǎo)成功了一大半了。請?jiān)倌托牡姆治鲆幌?我們用 CFBCFB 理想模型來簡化上式：其中 ，Ri=ORi=O則上式就可以簡寫為：1+魚V。一 _V+ 1+匹十ZF = 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(yùn)放進(jìn)行對比。

6、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 VFBVFB 運(yùn)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(yùn)放的傳遞函數(shù)的特性，并與電 流反饋 CFBCFB 運(yùn)放的傳遞函數(shù)與相對比。最后闡述 VFBVFB 運(yùn)放存在 增益帶寬積 GBWGBW 的根本原因。且向下看：我們先回顧一下電壓反饋型運(yùn)放的傳遞函數(shù)，也就是閉環(huán)增益:1ApGain =- =-廠1 + AF 1丄11+麗Rf其中第二步到第二步的變化就是將分子分母同進(jìn)除以AFAF , (AF(AF 也稱之為放大電路的環(huán)路增益) )。我們將 VFBVFB 運(yùn)放的閉環(huán)增益方程與C

7、FBCFB 運(yùn)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 VFBVFB 的分母中的 AFAF 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CFBCFB 運(yùn)放的 Z(s)/RfZ(s)/Rf，也就是 CFBCFB 運(yùn)放的環(huán)路增益 looploop GainGain。下面我們就仔細(xì)分析一下運(yùn)放的環(huán)路增益，并揭示 VFBVFB 運(yùn)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VFBVFB 閉環(huán)增益時，會這樣講，AFAF 相對于 1 1 是一個很大的值。因此 1/AF1/AF 的近似為 0 0， 則增益就近似等于 1/F1

8、/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(yùn)放的開環(huán)增益會隨著頻率的升高而降低，如下圖：VFB:Gain =CFB:府喘l + AF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/F1/F 的倒數(shù)相同的時候。此時的 AF=1AF=1，并且對于不同的反向系數(shù) F F （也就是 不同的閉環(huán)設(shè)定增益），使 AF=1AF=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/F1/F 二分之一了。這一個點(diǎn)就是放大電路的閉環(huán)帶寬。本質(zhì)由運(yùn)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 CFBCFB 運(yùn)放的傳遞函數(shù)，并從環(huán)路增益出發(fā)，闡述 CFBC

9、FB 運(yùn)放的帶寬與反饋系數(shù) F F 無關(guān)。ISO1UGain =A1 + AF一1F丄十AF1F 11_上_* _1 + 1一2 F OPA333OPEM-LQQP GAIN v* FREQUENCY10100愴11O匚mid對于CFCFB B 運(yùn)放的環(huán)路增益為 Z(s)/RfZ(s)/Rf， 如果我們假設(shè)Z(s)Z(s)在任何頻 率都是恒定的。只要選定 RfRf，則 CFBCFB 運(yùn)放的環(huán)路增益也會是恒 定的，如下式：1+黑11J-% 一F.F_cv+1_ Rf ,(Rf一4-TZ(s)1十Z* loop Gain當(dāng)然 Z(s)Z(s)也不可能是完全恒定的，它也有像 VFBVFB 運(yùn)放開環(huán)增

10、益 AolAol 的特性，如下圖是電流反饋運(yùn)放的互阻抗的曲線。只是它的主極 點(diǎn)頻率偏高。當(dāng) RfRf (下圖的 R2R2)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 F 的改變而改變。n (dec)OA-31OA-31因此，我們現(xiàn)在就可以理解，為什么 CFBCFB 運(yùn)放的帶寬不隨增益而改 變這一問題了。本質(zhì)原因就是，CFBCFB 運(yùn)放的帶寬不是由運(yùn)放反饋 網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù) F F 與開環(huán)增益 Z(s)Z(s)所決定。而只是由反饋電阻 RfRf 和開環(huán)增益阻抗所決定。在第 2 2 小節(jié)里我們?yōu)榱吮阌诜治鰧⒇?fù)向輸入端V-V-的電阻 RiRi 假設(shè)成理想的 0 0 歐。這一假設(shè)便于分析，但并不能反應(yīng)事實(shí)。因此，現(xiàn)在 我們再把 R Ri i考慮進(jìn)去。剛 CFBCFB 運(yùn)放的環(huán)圖增益就表示為：Loop Gain (LG)=因此，前面提到的要使 CFBCFB 運(yùn)放的帶寬恒定，需要將 RfRf 設(shè)定為恒定的值。實(shí)際情況是將下式設(shè)定為常數(shù)： Rf + Rj(1 + Rf/R# 丿=Rf 十 Rj + noise=constsnt這也就解釋了為什么在不同增益下，需要設(shè)置不同的RfRf 值，并且增益越高，反饋電阻 RfRf 值選取的越低。如下圖是 THS300