電流反饋和電壓反饋具有不同的應(yīng)用優(yōu)勢。在很多應(yīng)用中，CFB和VFB的差異并不明顯。當今的許多高速CFB和VFB放大器在性能上不相上下，但各有其優(yōu)缺點。本指南將考察與這兩種拓撲結(jié)構(gòu)相關(guān)的重要考慮因素。
VFB和CFB運算放大器的直流及運行考慮因素
VFB運算放大器
1) 對于要求高開環(huán)增益、低失調(diào)電壓和低偏置電流的精密低頻應(yīng)用，VFB運算放大器是正確的選擇。高速雙極性輸入VFB運算放大器的輸入失調(diào)電壓很少進行微調(diào)，因為輸入級的失調(diào)電壓匹配十分出色，一般為1至3 mV，失調(diào)溫度系數(shù)為5至15μV/°C。在微調(diào)后，可實現(xiàn)低于20 μV的輸入失調(diào)電壓。采用自穩(wěn)零架構(gòu)的運算放大器可提供低于5 μV的失調(diào)電壓，但我們在此不予考慮。有關(guān)自穩(wěn)零運算放大器的詳情，請參閱指南MT-055。
2) VFB運算放大器上的輸入偏置電流(無輸入偏置電流補償電路)在(+)輸入端和(–)輸入端大致相等，范圍為1至5 μA。有的FET輸入運算放大器的輸入偏置電流不到200 fA，適用于靜電計等應(yīng)用。(如AD549)。
3) 因輸入偏置電流引起的輸出失調(diào)電壓可以歸零，其方法是反相和同相輸入端中的有效源電阻相等。這種方法對于偏置電流補償VFB運算放大器無效，因為這類放大器的輸入端有額外的電流誤差源。在這種情況下，凈輸入偏置電流不一定相等，也不一定具有相同的極性。
4) VFB運算放大器在反饋網(wǎng)絡(luò)控制著整體響應(yīng)的應(yīng)用中十分有用，比如有源濾波器應(yīng)用。然而，有些VFB運算放大器是經(jīng)過非完全補償處理的，使用時必須超過其額定的最低閉環(huán)增益。
5) VFB運算放大器的簡化模型是大家耳熟能詳?shù)?，所有模擬電子教材中都有論述。
6) VFB架構(gòu)適用于那些需要軌到軌輸入和輸出的低電源電壓應(yīng)用。
CFB運算放大器
1) 另一方面，我們對電流反饋(CFB)運算放大器的了解較少，相關(guān)文獻也不多。許多設(shè)計師選擇VFB運算放大器，只是因為他們更了解這種放大器。
2) CFB運算放大器的開環(huán)增益和精度一般低于精密VFB運算放大器。
3) CFB運算放大器的反相和同相輸入阻抗不相等，而且CFB運算放大器的輸入偏置電流一般也是不相等且不相關(guān)的，因為(+)輸入端和(–)輸入端具有完全不同的架構(gòu)。為此，外部偏置電流取消機制也不起作用。CFB輸入偏置電流的范圍為5至15 μA，在反相輸入端一般都較高。
4) 由于CFB運算放大器一般是針對一個固定的反饋電阻值而優(yōu)化的，因此，除設(shè)置閉環(huán)增益以外，其反饋網(wǎng)絡(luò)的靈活性顯得不足。這使得CFB運算放大器不適合多數(shù)有源濾波器，Sallen-Key濾波器除外，因為這種濾波器可以采用合適的固定反饋電阻進行設(shè)計。圖1總結(jié)了VFB和CFB運算放大器的直流及運行考慮因素。
5) CFB架構(gòu)確實適用于軌到軌輸入和輸出。
VFB和CFB運算放大器的直流及運行考慮因素
VFB運算放大器
1) 高開環(huán)增益和直流精度
2) 提供低失調(diào)電壓(<20 μV)
3) 提供低偏置電流(JFET、CMOS或偏置電流補償) (<200 fA)
4) 平衡輸入阻抗
5) 靈活的反饋網(wǎng)絡(luò)
6) 提供軌到軌輸入和輸出
CFB運算放大器
1) 較低的開環(huán)增益和直流精度
2) 較高的失調(diào)電壓
3) 反相輸入阻抗低，同相輸入阻抗高
4) 輸入偏置電流不如VFB低，并且匹配程度不如VFB
5) 實現(xiàn)最佳性能需使用固定反饋電阻
VFB和CFB運算放大器的交流考慮因素
VFB運算放大器
1) VFB運算放大器的一個顯著特點是，它們可在較寬的頻率范圍內(nèi)提供恒定的增益帶寬積。
2) 另外，市場上有高帶寬、高壓擺率、低失真VFB運算放大器，其針對低靜態(tài)電流采用了“H橋”架構(gòu)(指南MT-056)。
3) VFB運算放大器適用于各類有源濾波器架構(gòu)，因為其反饋網(wǎng)絡(luò)非常靈活。
CFB運算放大器
1) CFB拓撲結(jié)構(gòu)主要用于對高帶寬、高壓擺率和低失真有極高要求的場合。有關(guān)CFB運算放大器交流特性的詳細討論，請參閱指南MT-057。
2) 對于給定的互補性雙極性IC工藝，CFB一般可在相同量的靜態(tài)電流下產(chǎn)生比VFB高的FPBW(因而具有較低的失真)。這是因為CFB幾乎不存在壓擺率限制。為此，其全功率帶寬和小信號帶寬大約相同。然而，高速VFB運算放大器中使用的“H橋”架構(gòu)在性能上幾乎與CFB運算放大器相當(指南MT-056)。
3) 不同于VFB運算放大器，CFB運算放大器的反相輸入阻抗極低。在反相模式下將運算放大器作為I/V轉(zhuǎn)換器使用時，這是一種優(yōu)勢，因為其對反相輸入電容的敏感度低于VFB。
4) CFB運算放大器的閉環(huán)帶寬由內(nèi)置電容以及外置反饋電阻的值決定，相對而言，是獨立于增益設(shè)置電阻的(即從反相輸入端到地的電阻)。這使得CFB運算放大器成為要求增益獨立帶寬的可編程增益應(yīng)用的理想選擇。
5) 由于CFB運算放大器必須配合一個固定反饋電阻使用，才能實現(xiàn)最佳穩(wěn)定性，因此，在除Sallen-Key濾波器以外，它們作為有源濾波器的應(yīng)用是十分有限的。
6) 在CFB運算放大器中，其反饋電阻上較小的雜散電容值可能導(dǎo)致不穩(wěn)定。
VFB和CFB運算放大器的交流考慮因素
VFB運算放大器
1) 恒定的增益帶寬積
2) 提供高壓擺率和高帶寬
3) 提供低失真版本
4) 靈活的反饋網(wǎng)絡(luò)
5) 適合有源濾波器
6) CFB運算放大器
7) 各種閉環(huán)增益下的帶寬相對恒定
8) 增益帶寬積不恒定
9) 針對特定工藝和功耗提供略高的壓擺率和帶寬(相比VFB而言)
10) 提供低失真版本
11) 實現(xiàn)最佳性能需使用固定反饋電阻
12) 雜散反饋電容導(dǎo)致不穩(wěn)定
13) 難以用于非Sallen-Key型有源濾波器
14) 低反相輸入阻抗降低I/V轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中的輸入電容影響
VFB和CFB運算放大器的噪聲考慮因素
VFB運算放大器
1) 市場上有些精密VFB運算放大器的輸入電壓噪聲不到1 nV/√Hz。多數(shù)JFET或CMOS輸入VFB運算放大器的輸入電流噪聲低于100 fA/√Hz，有些則低于1 fA/√Hz。然而，總輸出噪聲不但取決于這些值，同時也取決于閉環(huán)增益和反饋電阻的實際值(指南MT-049)。
2) 對于VFB運算放大器，反相和同相輸入電流噪聲一般相等，而且?guī)缀蹩偸遣幌嚓P(guān)。寬帶雙極性VFB運算放大器的典型值范圍為0.5 pA/√Hz至5 pA/√Hz。當增加輸入偏置電流補償電路時，雙極性輸入級的輸入電流噪聲會提高，因為它們的電流噪聲不相關(guān)，因而會(以RRS方式)增加雙極性級的內(nèi)生電流噪聲。然而，偏置電流補償很少用在高速運算放大器中。
CFB運算放大器
1) CFB運算放大器中的輸入電壓噪聲一般低于帶寬與之近似的VFB運算放大器。其原因在于，CFB運算放大器中的輸入級一般在較高的電流下工作，從而使發(fā)射極電阻下降，結(jié)果導(dǎo)致電壓噪聲降低。CFB運算放大器的典型值范圍為1至5 nV/√Hz。
2) 然而，CFB運算放大器的輸入電流噪聲一般大于VFB運算放大器，因為其偏置電流普遍較高。CFB運算放大器的反相電流噪聲和同相電流噪聲通常不同，因為它們采用的是獨特的輸入架構(gòu)，二者表示為獨立的規(guī)格參數(shù)。多數(shù)情況下，反相輸入電流噪聲是二者中較大者。CFB運算放大器的典型輸入電流范圍為5至40 pA/√Hz。這往往可能占據(jù)主導(dǎo)地位，但在電壓噪聲占主導(dǎo)地位的超高閉環(huán)增益下除外。
計算噪聲的最佳方法是寫一個簡單的電子表格計算程序，以自動進行計算，其中要包括所有噪聲源。在指南MT-049 中討論的等式可用于該目的。
VFB和CFB運算放大器的噪聲考慮因素
VFB運算放大器
1) 提供低電壓噪聲( < 1 nV/√Hz)
2) 提供低電流噪聲(JFET和CMOS輸入)
3) 反相和同相輸入電流噪聲相等且不相關(guān)
4) 計算總噪聲時必須考慮反饋網(wǎng)絡(luò)和外部電阻值
CFB運算放大器
1) 低電壓噪聲(1至5 nV/√Hz)
2) 較高的電流噪聲(5至40 pA/√Hz)通常是主要因素
3) 計算總噪聲時必須考慮反饋網(wǎng)絡(luò)和外部電阻值
總結(jié)
對于多數(shù)通用或高精度低頻、低噪聲應(yīng)用，VFB運算放大器通常是最佳選擇。VFB運算放大器也非常適合單電源應(yīng)用，因為許多此類放大器提供軌到軌輸入和輸出。
VFB運算放大器具有極為靈活的反饋網(wǎng)絡(luò)，因而適用于有源濾波器設(shè)計。
CFB運算放大器具有最佳帶寬、壓擺率和失真性能，但犧牲的是直流性能、噪聲以及使用固定值反饋電阻的要求。CFB運算放大器在有源濾波器中的應(yīng)用僅限于Sallen-Key等同相配置。
選擇VFB運算放大器可獲得下列優(yōu)點
1) 高精度、低噪聲、低帶寬
2) 軌到軌輸入和輸出
3) 反饋網(wǎng)絡(luò)靈活性
4) 有源濾波器
選擇CFB運算放大器可獲得下列優(yōu)點
1) 超高帶寬、壓擺率和極低失真
2) 不同增益下的帶寬相對恒定
3) Sallen-Key有源濾波器
參考文獻
1. Hank Zumbahlen, Basic Linear Design, Analog Devices, 2006, ISBN: 0-915550-28-1.另見Linear Circuit Design Handbook, Elsevier-Newnes, 2008, ISBN-10: 0750687037, ISBN-13: 978-0750687034.Chapter 1.
2. Walter G. Jung, Op Amp Applications, Analog Devices, 2002, ISBN 0-916550-26-5，另見Op Amp Applications Handbook, Elsevier/Newnes, 2005, ISBN 0-7506-7844-5.Chapter 1.
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