電流反饋運(yùn)算放大器在高速I/O中的應(yīng)用 - 全文

　　電流反饋的結(jié)構(gòu)與電壓反饋大不相同。電流反饋非常適合用于高速信號(hào)，因?yàn)樗鼪]有基礎(chǔ)增益帶寬積的限制，同時(shí)也由于其固有的線性度。電流反饋運(yùn)算放大器的帶寬略微受到增益的約束，但不像電壓反饋器件那么嚴(yán)重。再者，壓擺率并非受到內(nèi)部偏置電流的限制，而是受到晶體管自身速度的限制。這樣在給定偏置電流的條件下可以使用更快的壓擺率，而不必采用正反饋或其它壓擺率提升技術(shù)。

　　電流反饋運(yùn)算放大器有一個(gè)輸入緩沖器，而不是一個(gè)差分線對(duì)。輸入緩沖器一般是一個(gè)射極跟隨器或其它類似的東西。非反相輸入的阻抗很高，而緩沖器的輸出（作為放大器的反相輸入）則是低阻抗。相比之下，電壓反饋放大器的兩個(gè)輸入端都為高阻抗。

　　電流反饋運(yùn)算放大器的輸出是電壓，并且它與流出或流入運(yùn)算放大器反相輸入端的電流有關(guān)，兩者的關(guān)系滿足一個(gè)復(fù)雜的函數(shù)，名為互阻抗 Z（s）。直流下的互阻抗值很大，并且與電壓反饋運(yùn)算放大器相似，會(huì)隨頻率的增加而單極滾降。

　　圖 1 - Z（s） 與反饋電阻 RF.

　　電流反饋運(yùn)算放大器有可調(diào)帶寬和可調(diào)整的穩(wěn)定度。反饋電阻設(shè)定了閉環(huán)動(dòng)態(tài)范圍，并且會(huì)同時(shí)影響帶寬和穩(wěn)定度。電流反饋的一個(gè)最大優(yōu)點(diǎn)就是有很好的大信號(hào)帶寬?；诜答侂娮璧膽?yīng)用，有很高的壓擺率和可調(diào)帶寬，使器件的大信號(hào)帶寬非常接近于小信號(hào)帶寬。并且，由于固有的線性度，高頻大信號(hào)時(shí)也可以獲得低的失真。

　　為什么 RF 值如此重要？

　　反饋電阻的閉環(huán)特性使我們能夠避免固定增益帶寬的限制。這可以通過降低反饋電阻的值來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣可以在提高增益的同時(shí)保持回路高增益。

　　圖 2 - RF 對(duì)頻率響應(yīng)的作用

　　圖 2 是一個(gè)寬帶視頻放大器的實(shí)例?？梢钥吹礁淖兎答侂娮钑r(shí)帶寬的變化情況。在曲線最右端 RF 等于 200 Ω，可以看到頻率響應(yīng)有相當(dāng)大的尖峰。尖峰幅度幾乎有 1/2 dB。該曲線亦有最大的帶寬。當(dāng)反饋電阻減小時(shí)，尖峰也進(jìn)一步增加。電阻減小至 200 Ω 以下則很可能在脈沖響應(yīng)上出現(xiàn)糟糕的振鈴，如果電阻過低則會(huì)出現(xiàn)振蕩。可以看到，RF=300 時(shí)的曲線和增益都相當(dāng)平坦。并且與多尖峰的頻響曲線相比，仍然能夠保持不錯(cuò)的帶寬。因此，我們無(wú)需放棄太多的帶寬也能得到很好的穩(wěn)定性。此外，當(dāng)反饋電阻進(jìn)一步增加時(shí)（例如 500 Ω），就可以縮窄頻響范圍。如果某個(gè)應(yīng)用只需要 50 -60MHz 帶寬，超出這個(gè)范圍就會(huì)增加噪聲，則可以用修改反饋電阻的辦法調(diào)整頻響范圍。

　　圖 3 – LMH6175 視頻放大器，RF 對(duì)增益的作用

　　圖 3 出自同一器件的數(shù)據(jù)表。圖中顯示的是建議用于給定非反相增益的反饋電阻值。從圖中可以看到，當(dāng)增益為 1 時(shí)，需要 1KΩ 的反饋電阻才能得到最佳性能。這是因?yàn)榛芈吩鲆娣浅８?，因此需要用一支較大的電阻進(jìn)行中和。這是與電壓反饋結(jié)構(gòu)的主要差異。電流反饋放大器不能用于輸出端對(duì)反相輸入端短路的結(jié)構(gòu)。

　　數(shù)據(jù)表中最常用的電阻是針對(duì)增益為 2 的情況。但是，從圖 2 可以看到，最終采用的實(shí)際 電阻值有相當(dāng)?shù)撵`活性。數(shù)據(jù)表建議值只是可選范圍的中間值。再回來(lái)看圖 3。在增益為 4 時(shí)，RF 降低至 150 Ω。增益設(shè)定電阻現(xiàn)在只有 50 Ω，因此，我們現(xiàn)在的狀況`是：輸 入緩沖電阻值與增益設(shè)定電阻值基本相同。這樣會(huì)降低運(yùn)算放大器的閉環(huán)互阻，并且在增益增大時(shí)開始限制帶寬。在增益為 7 時(shí)，我們?nèi)允褂?300 Ω 反饋電阻。在這個(gè)增益下，我們不指望能得到電流反饋部件提供的帶寬，并且，當(dāng)增益高至 7 以上時(shí)，帶寬隨之下降，這非常像一個(gè)電壓反饋的特點(diǎn)。另外還應(yīng)注意，虛線部分表示的是：根據(jù)反相輸入電阻或者放大器的穩(wěn)定度，應(yīng)該用于某款運(yùn)算放大器的最低反饋電阻值。兩種因素之一限制了可用反饋電阻的數(shù)量。

　　電路板布局

　　電流反饋運(yùn)算放大器要仔細(xì)考慮的一個(gè)問題就是電路板布局，這也普遍適用于所有高速電路。電源旁路電容的布放需要非常靠近器件，一般要小于 3mm。電容需要兩種，一種是較大的電解電容，它們可以稍微離器件遠(yuǎn)些；另一種是小型的瓷片旁路電容，它要緊緊挨著相關(guān)器件。小型瓷片旁路電容為極高速瞬變提供能量，并且完成器件旁的電源去耦任務(wù)。這些電容中的任何電感負(fù)載都會(huì)降低其作用效果。大家可能都知道要使用盡量大面積的電源、地層，從而為地電流和電源電流提供低阻抗路徑。但是，還要注意去掉輸入/輸出引腳附近的電源、地層，這樣可以減少這些引腳的寄生電容。

　　反相輸入引腳與反饋電阻對(duì)交流地的容抗要盡可能地小。另外，任何運(yùn)算放大器的輸入端也要有最小的容抗。

　　盡量使用表面貼裝元器件。因?yàn)樗鼈兊募纳娙葑畹?。走線要短，如不能則可使用可控阻抗，則要在輸入/輸出引腳作傳輸線的雙端終結(jié)。

　　圖 4 – 寄生電容，1pF 反相入，1pF 出

　　圖 4 顯示的只是少量寄生輸入、輸出電容對(duì)一個(gè)電流反饋運(yùn)算放大器的作用。綠線是理想曲線。紅線是由寄生電容而得到的尖峰頻率響應(yīng)。圖 4 中反相輸入端的寄生電容為 1pF，輸出端也是 1pF?？梢杂迷黾臃答侂娮璧霓k法，抵消這少量的寄生負(fù)載。這也是電流反饋運(yùn)算放大器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。但是，如果電路板布局太差，即使采用了很大的反饋電阻，也會(huì)出現(xiàn)尖峰甚至產(chǎn)生振蕩。

　　驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載

　　圖 5 – 絕緣電阻與容性負(fù)載

　　這是運(yùn)算放大器中常用的一種技術(shù)，可以應(yīng)用于電壓反饋和電流反饋兩種情況，用于將容性負(fù)載（特別是非常小的阻性負(fù)載）與電容輸出隔離開來(lái)，例如驅(qū)動(dòng)一個(gè)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器。在運(yùn)算放大器和容性負(fù)載間加一個(gè) RISO 電阻。圖中曲線顯示了根據(jù)電容大小而建議使用的 RISO 值。圖中是基于一支 1kΩ 的阻性負(fù)載。如果 RL 較小，則 RISO 的值也可以較小。另一種方法是將 RISO 放在反饋回路內(nèi)（圖中未顯示）。除了圖中將 RF 置于 RISO 和放大器之間的方法以外，還可以將 RF 連接到隔離電阻的輸出端。這樣保持了增益的準(zhǔn)確性，但會(huì)喪失隔離電阻上的部分電壓擺幅。

　　降低系統(tǒng)噪聲

　　當(dāng)用電流反饋運(yùn)算放大器建立一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，要進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃，使輸出噪聲為最低。這在建立一個(gè)中放或低頻射頻放大器時(shí)尤其重要。如前所述，其中一項(xiàng)工作是要保證有低的頻響尖峰。用推薦的反饋電阻值就可以做到這一點(diǎn)，有時(shí)還可以根據(jù)需要提高反饋電阻值。另一件要注意的事是交流耦合。同樣，可以采用一個(gè)只允許所需頻率通過的濾波器，將有用帶寬以外的所有噪聲切掉。最大增益電路塊要盡量放在前面。增益越靠前，則對(duì)后面信號(hào)造成影響的噪聲就越少。另外，也要把噪聲最低的增益元件放在電路最前面。一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)從低噪聲放大器（如砷化鎵元件）或極低噪聲的分立元件獲得增益。盡量避免采用大阻值源電阻。因?yàn)殡娮柙黾拥臒嵩肼暸c電阻值成正比。

　　電流反饋的注意事項(xiàng)

　　如果你正在尋找一款可與電壓反饋相比的電流反饋放大器，務(wù)請(qǐng)牢記下列注意事項(xiàng)：

　　在電流反饋時(shí)，輸入偏移電流不會(huì)抵消。它不是一個(gè)對(duì)稱電路，因此兩個(gè)電流間不存在固有的平衡。一般情況下，有較高輸入阻抗的非反相輸入端的輸入偏置電流較小，而作為射極跟隨器輸出的反相輸入端偏置電流較大。

　　一款電流反饋器件上的失調(diào)電壓可以進(jìn)行匹配，使之變得很小，但不會(huì)為零。這不是一種自然的平衡，因此，一款電流反饋運(yùn)算放大器的偏移電壓指標(biāo)不會(huì)好到與電壓反饋設(shè)計(jì)一樣的水平。

　　緩沖結(jié)構(gòu)需要一個(gè)反饋電阻。即使在緩沖結(jié)構(gòu)中有現(xiàn)成的電壓反饋放大器電路布局，也不能直接拿來(lái)就用，而需要對(duì)電流反饋部分作改動(dòng)。

　　最后，反饋回路中的電容會(huì)造成不穩(wěn)定。較高頻率的任何元件都會(huì)降低反饋至反相輸入端網(wǎng)絡(luò)的阻抗，隨著反饋?zhàn)杩怪档南陆?，?huì)造成頻響的尖峰。

　　總結(jié)

　　電流反饋運(yùn)算放大器常常是高速信號(hào)的最佳解決方案，此時(shí)需要大的輸出波幅與極低的失真?？蓮碾娏鞣答伔糯笃鞣€(wěn)定質(zhì)量中獲益的應(yīng)用有：演示質(zhì)量的視頻線路驅(qū)動(dòng)器和路由器、模數(shù)轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)器、中頻放大器和時(shí)鐘緩沖器等。對(duì)于信號(hào)保真度和高速度是主要目標(biāo)的各種應(yīng)用場(chǎng)合，電流反饋放大器都有自己的用武之地。