（电路与系统专业论文）电流反馈放大器原理与应用.pdf

摘要 电流反馈运算放大器( c u 盯e n tf e e d b a c ko p e r a t i o n a la m p l i f i e r ， 简称c f a ) 又称跨阻运算放大器，它具有极佳的性能优点，其线性地 处理大幅度、高频率信号的能力远优于电压反馈运算放大器( v o l t a g e f e e d b a c ko p e r a t i o n a la m p l i f i e r ，简称v f a ) 。c f a 良好的动态特性突 破了一些传统难题对常规v f a 的困扰，具有明显的实用和理论价值， 引起了电路和系统学术界的巨大兴趣。 本文研究了c f a 的原理与应用电路。首先介绍了电流模电路及 c f a 的发展情况。然后从c f a 的拓扑结构出发，在其模型电路的基 础上，介绍了c f a 的工作原理及其闭环特性。全面归纳了c f a 作为 有源器件的模拟信号处理及运算电路：基于c f a 线性受控源、阻抗 变换器、放大器、加法器、积分器、微分器以及乘除法器等，并提 出了用c f a 设计的接地式通用阻抗变换器和能实现乘法与除法的电 路。在国内外研究成果的基础上，提出了多种二阶滤波器：能实现特 征角频率和品质因数正交调节的二阶带通滤波器；在不改变电路结 构，只需改变输入信号的情况下就能实现五种滤波功能的二阶通用滤 波电路；另一种只是改变元件值就能分别实现二阶滤波和三阶滤波的 多功能电路结构。对于高阶滤波器也进行了研究，提出的第一种结构 能实现低通和高通两种功能，而第二种结构则能实现低通、带通、高 通以及带阻四种功能，两种结构的多滤波功能实现都不需要改变电路 结构，只需改变元件值。最后，对基于c f a 的正弦波振荡电路作了 阐述，并用两个c f a 一设计了一种正弦波振荡器，该电路能实现振荡 频率和振荡条件的独立调节。文章中所提出的滤波电路及振荡电路都 经过了p s p i c e 仿真软件的论证，结果与理论分析一致。 关键词：电流反馈放大器；电流模电路；模拟集成电路；有源滤波器 a b s t r a c t c u l l r e mf e e d b a c ko p e r a t i o n a la m p l i f i e r ( a b b r e v i a t i o n ：c f a ) a l s oi s c a l l e d t r a n s i m p e d a n c e o p e r a t i o n a la m p l i f i e r , i t h a s v e r yg o o d p e r f o r m a n c ea d v a n t a g e ，a n di t sa b i l i t yt h a th a n d l e sl i n e a r l yb i gs c o p ea n d h i g hf r e q u e n c ys i g n a l i sb e t t e rt h a nv o l t a g ef e e d b a c k o p e r a t i o n a l a m p l i f i e r ( a b b r e v i a t i o n ：w a ) c f ah a sg o o dd y n a m i cp r o p e r t yt h a th a s b r o k e nt h r o u g hs o m et r a d i t i o n a lb a f f l i n gp r o b l e m sf o rc o n v e n t i o n a lv f a p u z z l e ，h a v eo b v i o u sp r a c t i c a la n dt h e o r e t i c a lv a l u e ，t h eh i , g ei n t e r e s tt h a t b , a sa r o u s e dc i r c u i ta n ds y s t e m a t i ca c a d e m i cc i r c l e s i nt h i sp a p e r , t h ep r i n c i p l ea n dd e s i g no fc u r r e n tf e e d b a c ka m p l i f i e r ( a b b r e v i a t i o n ：c f a ) a n di t sc i r c u i ta b o u ta p p l i c a t i o nh a v eb e e ns t u d i e d f i r s t l y , t h ed e v e l o p m e n to fc u r r e n tm o d ec i r c u i ta n dc f aa r eb r i e f l y i n t r o d u c e d s e c o n d l y , w i t ht h et o p o l o g ya n dm o d e lc i r c u i t ，t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h e p r i n c i p l e a n dl o o pc h a r a c t e r i s t i c so fc f a t h e n ，t h e a n a l o g u es i g n a lp r o c e s s i n ga n do p e r a t i o nc i r c u i t sw i t ht h ea c t i v en e t w o r k e l e m e n t su s i n gc f ah a v eb e e ni n d u c e do v e r a l l ：l i n e a rc o n t r o l l e ds o u r c e s 、 i m p e d a n c et r a n s f o r m e r 、a m p l i f i e r 、a d d e r 、i n t e g r a t o r ，d i f f e r e n t i a t o ra n d m u l t i p l i e r d i v i s i o nb a s e do nc f a a n dac i r c u i to ft h ee a r t h i n gt y p e g e n e r a li m p e d a n c et r a n s f o r m e ra n dam u l t i p l i e r d i v i s i o nd e s i g n e dw i t h c f ah a sb e e np u tf o r w a r d b a s e do nt h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c h r es u l t st h ea r t i c l ep r o p o s e ds e v e r a ls e c o n d - o r d e rc i r c u i t s ：as e c o n d - o r d e r b a n d p a s sf i l t e rt h a tc a l lr e a l i z eo r t h o g o n a lc o n t r o lo f 甜da n dq ；ag e n e r a l f i l t e rc i r c u i tt h a tc a nr e a l i z ef i v ef i l e rf u n c t i o n sf r o mt h es a m e c o n f i g u r a t i o n ，o n l yc h a n g i n gi m p e d a n c e s ；a n o t h e ri sam u l t i f u n c t i o nf i l t e r t h a tm a yf i n i s hs e c o n d - - o r d e rf i l t e ra n dt h r e e - - o r d e rf i l t e ro n ! yc h a n g i n g i m p e d a n c e s a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e rf u r t h e rp r o p o s e st w oh i g ho r d e r f i l t e rc i r c u i t s t h ef i r s tc i r c u i tc a nr e a l i z el o w p a s sa n dh i g h p a s sf i l t e r , t h e o t h e rc a nr e a l i z el o w p a s s ，b a n d p a s s 、h i g h p a s sa n dn o t c hf i l t e r b o t ho f t h e mf i n i s hm u l t i f u n c t i o n ao n l y c h a n g i n gi m p e d a n c e sf r o mt h es a m e c o n f i g u r a t i o n f i n a l l y , s i n e o s c i l l a t o r s u s i n gc f aa l s o h a v eb e e n i n t r o d u c e d ，as i n e o s c i l l a t i o nc i r c u i t u s i n g t w oc f a sh a sb e e n p r e s e n t e d ，w h i c hc a nr e a l i z ei n d e p e n d e n c ea d j u s t m e n ta b o u tf r e q u e n c y a n dc o n d i t i o no fo s c i l l a t i o n a l lf i l t e ra n do s c i l l a t o rp r o p o s e da r ea l l p r o v e db yt h ep s p i c es i m u l m i o n ，t h es i m u l a t i o n r e s u l t sh a v eb e e n c o n s i s t e n tw i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i sr e s u l t s k e yw o r d s ：c u r r e n tf e e d b a c ka m p l i f i e r ：c u r r e n tm o d ec i r c u i t ； a n a l o gi n t e g r a t e dc i r c u i t ；a c t i v ef i l t e r 荔 电流反馈放大器原理及其应用 第一章绪论 在电子电路中，尤其是在模拟电子电路中，电压模式设计方法一 直是主要的设计方法，以集成电压运算放大器为代表的电压模式电路 在模拟集成电路中都一直占据着统治地位，并获得了广泛应用。然而， 在电压模式电路中人为地设置了多个高阻抗节点，虽然限制了总的电 流消耗和提高摆幅，但严重影响了电路对高频和高速信号的处理能 力，成为电压模式模拟电路发展中的一个难题。尽管以电压模式运算 放大器为标准部件的模拟网络在模拟信号处理中一直处于主宰地位， 但它存在着缺点：其3 分贝闭环带宽与闭环增益的乘积是常数，当带 宽向高频区域扩展时，增益成比例下降( 即增益带宽积为常数) ；在 大信号下输出电压的最高转换速率很低，一般只有o 2 v 2 0 v 。 这些固有缺点阻碍了电压型运算放大器在高频、高速环境中的应用。 近二十年来，以电流为信号变量的电路在信号处理中的巨大潜在 优势逐渐被认识并被挖掘出来，促成了一种新型电子电路一电流模 式电路的发展。人们发现，电流模式电路可以解决电压模式电路所遇 到的一些难题，在速度、带宽、动态范围等方面获得更加优良的性能。 研究结果显示，在高频、高速信号处理领域，电流模式的电路设计方 法正在取代电压模式的传统设计方法，电流模式电路的发展和应用将 把现代模拟集成电路推进到一个新的阶段。而且，随着通信、计算机 特别是超大规模集成电路技术的飞速发展，电流模式电路技术作为一 种重要的、具有很大发展潜力的模拟信号处理技术，引起了国际学术 界的极大关注，并迅速成为国际电路与系统、微电子学、计算机科学 和信息科学等领域的前沿课题和研究热点之一。 与通常的电压模式电路相区别，所谓电流模式电路是指电路的主 要变量是以电流而不是以电压形式来表述。电流模式电路作为一种重 要的模拟电路在许多年以前就己出现，但是长期以来，人们似乎总是 喜欢从电压而不是从电流的角度来考虑问题。微电子技术的发展，使 得像电压运放等压控i c 基本积木块及其电路得到广泛地研究和使 用，从而加强了人们头脑中电压主宰世界的认识。然而在实际问题中， 硕士学位论文 却常常要求模拟电路系统具有良好的电流信号处理能力，许多宽带电 路即是把电流而不是电压作为有源参量。此外，在长期的实践中，人 们发现对于某些电路问题，以电流模式技术进行处理比用传统的电压 模式技术具有更多的优点。另外，近年来随着v l s i 技术的突飞猛进， 整个电子系统的数模混合集成已成必然。随着v l s i 工艺尺寸进入 ( 深) 亚微米区，高集成度导致高功耗，小尺寸将使得器件内电场强 度增加，影响m o s f e t 工作。为适应这一变化和绿色环保工程的发 展趋势，工业界提出了将电源标准从5 v 降到3 3 v 甚至更低。这样一 来，v l s i 系统模拟电路中的电压动态范围、电压运放等都将受到影 响。而电流模式电路，由于工作在电流域，因此v l s i 电源标准的降 低对其信号动态范围影响不大。此外，电流模式电路还具有电路结构 简单、频带宽和寄生电容影响小等特点，从而为高速度、高密度和低 功耗数模混合集成电路系统的v l s i 实现提供了一条新的途径。 迄今为止，对电流模式电路这个术语还没有形成一个统一的、严 格的定义。一般来讲，电流模式电路可以定义为：当选用电流而不是 电压作为电路中的信号变量，并通过处理电流变量来决定电路的功能 时，称为电流模式电路。而电路中的电压信号和电流信号总是彼此关 联、相互作用的，任何处理电流信号的电路必然会产生内部电压信号 摆幅。但是，作为电流模式电路，电路的功能取决于电流信号的处理 结果，而那些内部电压信号摆幅应尽量减小，因为它们对电路的功能 不起决定性作用。相反，当选用电压而不是电流作为电路中的信号变 量，并通过处理电压信号决定电路的功能时，称为电压模式电路。电 压模式电路中同样存在一定摆幅的电流信号，但是电路的功能取决于 电压信号而不是电流信号【l 5 】。 1 1 本文的重要意义及国内外研究状况 电流模式信号处理方法和电路设计原理早在二三十年前就已经 被提出，例如：k c s m i t h 和a s s e d r a 在1 9 6 8 年提出电流传送器原 理；b g i l b e r t 在1 9 7 5 年提出跨导线性电路原理。但是，随着近十几 年来集成工艺技术的进步，电流模式电路才得到集成实现和迅速发 展。 电流反馈放大器原理及其应用 电流模式电路的发展近年来主要集中在模拟电路领域，同时在电 流模式接口电路( a i d 、d a 变换器) 和数字电路( 逻辑门电路、触发 器、存储器) 方面也有一些研究成果。 像电压模式模拟电路一样，电流模式模拟电路也有两种类型，一 种是连续时间的模拟信号处理电路，另一种是在离散时间采样的模拟 信号处理电路。电流模式连续时间模拟电路主要包括静态电流镜、跨 导线性电路、电流传送器、电流反馈运算放大器( 跨阻放大器) 、跨 导放大器等。电流模式离散时间模拟电路主要有动态电流镜和开关电 流电路。 与电压模式设计方法相比，电流模式具有明显的优越性：现有主 要电子器件( 双极型晶体管和场效应晶体管) 都是电流输出器件，它 们的被控制量都是电流。如果用电压变量进行信号处理，必须在电路 内部设置高阻抗节点，进行电流一电压变换。相反，如果以电流作为 信息载体，则无需进行电流一电压变换，不仅减少了元件数目、简化 了电路结构，而且避免了因引入高值电阻对电路工作速度和高频特性 的损害。用电流变量可以便捷地完成多种信号运算功能，模拟技术中 几种最基本的信号处理，女n , d i ：i 减、积分、倍乘等，用电流信号实现 比用电压信号简便得多。 在最近十几年来，集成工艺技术取得了很大的进步，主要表现在 以下几方面：1 、真正互补双极工艺的发展使得集成速度极快、良好 对称的硅双极互补电路成为可能，促进了一系列电流模式电路的发 展；2 、成熟的c m o s 工艺能提供高品质的电容、良好的开关，且功 耗极小，在离散时间模拟集成电路的制造中是必不可少的；3 、先进 的b i c m o s 工艺( 即混合硅双极和互补金属、氧化物、半导体工艺) 将双极工艺的优点( 高跨导、高速度) 和c m o s 工艺的优点( 低功 耗) 结合起来，提供了适合实现电流模式电路高速度和低功耗的工艺 技术。有了真正互补双极工艺和成熟的c m o s 、b i c m o s 等工艺技术 的发展，使得很多早年提出的电流模式电路得以实现，同时有更多的 新一代电流模式电路和系统正在研制中，进一步推动了电流模式电路 的发展。 电流反馈运算放大器( c u r r e n tf e e d b a c ko p e r a t i o n a la m p l i f i e r ， 硕士学位论文 简称c f a ) ，又称跨阻运算放大器，它是2 0 世纪9 0 年代初期迅速发 展的新型超高速运放。在负反馈闭环工作时，由输入端馈入低阻，反 相输入端的反馈量是电流，它是一种带输入电压缓冲级的跨阻放大 器，其开环增益的量纲是跨阻( 或互阻) ，与传统的电压模式运算放 大器即电压反馈运算放大器( v o l t a g ef e e d b a c ko p e r a t i o n a la m p l i f i e r ， 简称v 】队) 相比，它具有完全不同的拓扑结构和工作原理，是集成运 算放大器的最新成果。第一个c f a 是美国c o m l i n e a r 公司在1 9 8 5 年 用多芯片混合组装工艺做出的，现主要产品有o p 1 6 0 ，a d 8 4 4 等。 基于日趋成熟的双极互补集成工艺及电流模式电路设计技术， c f a 具有极佳的动态特性，它线性地处理大幅度、高频率信号的能力 远优于v f a ，例如，增益带宽乘积达g h z 范围，o 1 过冲精度的建 立时间约1 0 n s ，转换速率可达2 0 0 0v 。与此同时，c f a 也存在着 公认的缺点，其静态精度不及v f a 。因此，使用者和研究者必须对 c f a 的性能特点和适用场合作深入理解和全面评价。 在电路和系统学术界引起巨大兴趣的是c f a 采用的电流反馈方 法及新颖拓扑结构所产生的良好动态特性，突破了一些传统难题对常 规v f a 的困扰，具有明显的实用和理论价值。在i e e ei s c a s1 9 9 3 学术年会上，不少作者对c f a 的设计思想、拓扑结构、贡献与不足、 优点与缺点进行了热烈讨论，充分说明这一新型器件的成功之处，也 说明尚有不少问题有待研究解决。 1 2 本文的内容安排 本文研究了电流反馈放大器原理及其应用电路的设计。首先简单 介绍了电流模电路及c f a 的发展情况，然后从c f a 的拓扑结构出发， 在其模型电路的基础上，阐述了c f a 的工作原理及其闭环特性；全 面归纳以c f a 为有源元件的模拟信号处理及运算电路：基于c f a 的 阻抗变换器、积分器、微分器、振荡器、乘除法器等，并提出了一 种接地式通用阻抗变换器结构和一种乘除法器；在国内外研究成果 的基础上，提出了基于c f a 的二阶带通滤波器，及在不改变电路结 构的基础上，可实现多种功能的滤波电路，所实现的滤波器的特征频 率d 和品质因数q 可实现独立调节。以信号流图为基础，提出了两 电流反馈放大器原理及其应用 种能实现任意阶的多功能滤波电路。设计了一种基于c f a 一的正弦波 振荡器。所提出的电路基本上经过了p s p i c e 仿真，仿真结果与理论 分析的结果一致。 ， 本文分为五个部分，分别用五个章节进行介绍。第一章绪论部分 介绍了电流模式电路与c f a 的发展状况，以及在电子行业中的重要 意义；第二章从c f a 的拓扑结构出发，在其模型电路的基础上，介 绍了c f a 的工作原理及其闭环特性；第三章全面归纳以c f a 为有源 元件的模拟信号处理及运算电路：基于c f a 的阻抗变换器、积分器、 微分器、乘除法器等，并提出了一种接地式通用阻抗变换器结构和 一种乘除法器；第四章在国内外研究成果的基础上，提出了基于c f a 的二阶带通滤波器，及在不改变电路结构的基础上，可实现多种功能 的滤波电路，并且进一步提出了高阶的多功能滤波电路；第五章参考 列举的基于c f a 的正弦波振荡器，提出了一种基于c f a 一的正弦波振 荡申路。 硕士学位论文 第二章电流反馈运算放大器 电流反馈运算放大器( c u r r e n tf e e d b a c ko p e r a t i o n a la m p l i f i e r ，简 称c f a ) 是一种具有与传统电压模式运算放大器完全不同的拓扑结构 和工作原理的放大器，其性能优于传统的电压反馈放大器。电流反馈 运算放大器又称跨阻运算放大器，2 0 世纪9 0 年代初期迅速发展起来， 因反馈的是电流信号而得名。c f a 能处理大幅度、高频率的信号，适 用于大信号、低失真的高性能视频系统及高速通信系统；具有极高的 转换速率，可以在快速模数转换器、传输线驱动器及缓冲中应用， 而且具有良好的动态特性。c f a 是一种闭环电路，其闭环带宽不受增 益高低的影响，也就是说c f a 不受“增益一带宽积为常数 的限制， 能实现增益与带宽的独立调节。并且它的转换速率在理论上没有限 制，可以有很高的转换速率。第一个c f a 是由美国c o m l i n e a r 公司在 1 9 8 5 年用多芯片混合组装工艺做出的。1 9 8 7 年以后，c o m l i n e a r ， e l a n t e c ，a n a l o gd e v i c e s 等公司相继推出了单片集成工艺的c f a 。 基于日趋成熟的双极互补集成工艺及电流模式电路设计技术， c f a 具有极佳的动态特性，它线性地处理大幅度、高频率信号的能力 远优于传统的v f a ，其电压转换速率达1 0 0 0 wl as - - 一3 5 0 0 wps ；阶跃 输出o 1 过冲精度的建立时间为1 0 n s l o o n s ；3 d b 带宽达6 0 m h z i o o m h z ，典型产品有o p 一1 6 0 、o p 一2 6 0 、a d 8 1 1 、a d 8 4 4 等。电 流反馈运放在高性能视频系统、高速通信系统、高速精密a d 及d a 转换领域有较高的应用价值【l 。2 5 1 。 2 1 电流反馈运算放大器电路和模型 2 1 1c f a 的拓扑结构和代表符号 c f a 的简化拓扑结构可用图2 1 表示，它主要由输入缓冲级、跨 阻放大级和输出缓冲级组成。输入缓冲级接在两个输入端之间，具有 单位电压增益。其作用有三个：强制k 跟随巧；使同相输入端 为高阻抗( 理想为无穷大) 的电压输入端；使反相输入端为低阻抗 电流反馈放大器原理及其应用 ( 理想为零) 的电流输入端，信号电流在反相输入端容易流进或流出。 以 巧 图2 1c f a 简化拓扑结构图图2 - 2c f a 代表符号 跨阻放大级将进出反相输入端的电流信号厶传递到内部增益节 点，将它转化为一个电压信号圪。图2 1 中的z 代表开环跨阻增益， z 值通常很大( 类似电压运算放大器的开环电压增益) 。 输出缓冲级具有单位电压增益，将圪传送到输出端提供输出电 压圪，并实现低输出阻抗。 图2 2 给出了c f a 的代表符号，其中反相输入端( 电流输入端) 用“一”号表示，同相输入端( 电压输入端) 用“+ ”号表示。有些 c f a 将增益节点z 单独接到一个引出端，其电压、电流分别用圪、厶 表示。 c f a 符号中各电压、电流量之间的关系为 ，圪1 f ，j 00v 巧 i ，i - - 10 00 liti 及圪= 圪= z t = + z i ， ( 2 - 1 ) i ，：d0 1 ) t , z 其中，式( 2 1 ) 中“+ 表示c f a + ，“一”表示c f a 一，除特殊声 明外，论文中的设计采用c f a + 的简记为c f a 。( 本文中未注明“+ ”、 “一”的c f a ，一般表示的是c f a + ) 从c f a 的拓扑结构可以看出，在反相输入端出现的误差输入信 号是电流，而不是电压；电路内部传递和处理的信号是电流，而不是 电压。这表明，c f a 与常规v f a 的电压工作模式完全不同，虽然属 于电流模式电压模式混合电路，但是其中的电流部分是主要的，对 电流性能起主要作用，因此将其归入电流模式电路。 2 1 2 双极互补工艺的0 f 集成电路 图2 3 所示电路为应用双极互补工艺制成的c f a 典型原理电路， 硕士学位论文 它实现图2 1 所示的拓扑结构。其主要部分包括输入缓冲级、跨阻放 大级和互补输出缓冲级，电路各级均采用互补对称结构。 乃乃构成差动输入缓冲级。其中乃乃组成低输出阻抗推挽 级，乃、乃起补偿e 及提高输入阻抗的作用，反相输入端电流厶为 乃与乃的发射极电流厶、厶之差。马乃，和乃3 乃5 组成两个威尔逊 电流镜，将厶传送到节点z ，并在阻抗z 上转换为电压。z 是增益节 点，z 点到地的总阻抗包括寄生阻抗和补偿电容c 的阻抗。乃乃组 成第二个缓冲级，将z 上电压传到输出端。 从图中可以看出，c f a 的电路设计立足于性能良好的双极互补工 艺，电路中的p n p 与n p n 晶体管都是纵向元件，设计上要求有良好 的匹配关系；而实际工艺制作中与同相输入端和反相输入端相连的内 部电路往往不完全对称，这将对c f a 的某些性能产生影响。 ，船 图2 3c f a 典型原理电路图 c f a 的内部电路由输入缓冲级、跨阻放大级和互补输出级三部 分组成，由此可以给出一种c f a 的简化模型电路，如图2 - 4 所示。 图2 - 4c f a 的模型电路 由于圪跟随巧，圪跟随圪，因此，输出级和输入级分别用具有 电流反馈放大器原理及其应用 单位电压增益的电压缓冲器等效，图中用a l 、a 2 表示。中间级即跨 阻增益级接在输入缓冲器之后，经无源元件g 、尺r 把缓冲器输出电 流线性地转换成为电压，因此电流反馈运放以跨阻增益z 为传输特性 参数。z 由劬和r r 并联组成，其中c r 是相位补偿电容( 包括该增益 节点的寄生电容) ，对大多数运放，典型值为3 p f - 5 p f ；r r 是直流( 低 频) 跨阻增益，由上、下电流镜的输出电阻决定，典型值为3 mq ； 砌是反相端输入电阻，典型值为5 0q ；r m + 是同相端输入电阻，通 常大于1 0 mq ；r 。是输出缓冲器的输出电阻，典型值低于1 5q 。 2 2 电流反馈运放的负反馈闭环特性 在实际应用中c f a 都工作在闭环状态，其接法可以是同相输入 方式，也可以是反相输入方式。 2 2 1 同相输入方式闭环特性 2 2 1 1 闭环直流特性 图2 5 所示电路为用c f a 接成的同相输入的负反馈电压比例放 大器。由式( 2 1 ) 结合克希霍夫电流定律，可得 r ， ，杉v o _ 3 r l rf r f 在直流情况下，跨阻增益仁r 丁，所以 v o = r t i 。 将式( 2 2 ) 代入式( 2 3 ) ，整理得到闭环电压增益 铲豺+ 割麦 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 硕士学位论文 其中，丁钮r r i , 代表环增益。将图2 5 所示的反馈环在母的右端断 开，并在断开点与地之间加入试验电压圪，再将所短接；电路将把 圪变换为电流厶= 一g r ：, 继而将厶变换为输出电压圪镏以；用圪 除圪，可得v o v , = 一r 勰，其负值即为环增益l 环增益丁值的大小将决定闭环增益彳陋接近理想最大值( j + 母 r j ) 的程度，r 越大，a v f 越接近理想值。c f a 的制造者应该设法使 r r 的数值比预料中的r 厂值大，以便增大丁值。而且，由于厶= 乃侬r ， 迫使厶趋向于零。因此，对理想c f a ，有闭环运行条件圪一k ，厶一 0 ，厶一o ，与常规理想电压运放的闭环运行条件相同，但是二者形成 的内部机制不同。 一般情况下可以满足r r 尺r ，即t j ，则式( 2 4 ) 可化简为 伽告讲百m y ( 2 - 5 ) 2 2 1 2 闭环频率特性 将图2 5 中的电流反馈运放的符号用图2 4 所示的模型电路代替， 可以得到分析频率特性用的同相放大器电路，如图2 - 6 所示。 对于电流反馈运放的典型产品，一般r d r 厂和r r r r u 一，则有近似式 ，、，+ 生 锄酱一 q - 1 0 ) r i n 的典型值是2 0q 5 0q ，一般情况下，当直流闭环增益( 1 + r f r ，) 值不甚高时，能够近似满足母 ( j + 母r ，) 火肼一，则上式可进一步 简化为 ，+ 生 么阡峪s ， = 丽v o ( s ) 雨去 ( 2 - 1 1 ) 由式( 2 1 1 ) 得闭环直流增益为( j + r 厂r ，) 与前述式( 2 5 ) 完 全相同，闭环一3 d b 带宽为 b 2 芴1 万( 2 - 1 2 ) 式( 2 5 ) 和式( 2 1 2 ) 表面，对于一个给定器件c f a ，c r 是固定值， 其闭环带宽取决于反馈电阻尺，_ 值，可用尺，调节带宽；闭环增益a v f 则可用飓值来控制。实现增益与带宽的独立调节，克服了传统电压 型运放闭环增益一带宽积为常数的缺点。 但是，由式( 2 1 0 ) 的分母看出，并未完全消除闭环增益( j + r 厂 r ，) 对带宽的影响，但这种影响与传统运放构成的电路相比要弱得 多。闭环带宽与r f r 电阻比值及c f a 反相端输入电阻尺，有一定关 硕士学位论文 系，适当降低母偬，和r i j v 一的数值有利于减弱闭环增益对闭环带宽的 影响。 2 2 2 反相输入方式闭环特性 将电流反馈运放接成输入闭环电压放大器，如图2 7 所示，输入 电压信号k 从c f a 的反相输入端接入，电阻母、r i 实现反馈。 2 2 2 1 闭环直流特性 分析图2 7 所示电路的闭环直流特性，求得闭环直流电压增益为 铲鲁一鲁去 尺， 其中，丁是环增益，与同相输入方式中的定义相同。同理，有r j ，式( 2 。1 3 ) 可化简为 铲鲁= 一百g f ( 2 - 1 4 ) 2 2 2 2 闭环频率特性 与分析同相输入方式的闭环频率特性一样，将图2 7 种的电流反 馈运放符号用图2 4 所示的模型电路代替，得到图2 - 8 所示电路，并 求解得 一生 锄2厕vo(s)2下疆簪81 ( 2 - 1 5 ) i 、r ，r ，一1 月7 i r 尺上一 1 “ 式( 2 1 5 ) 中r 丁的典型值为3 m q ，一 r r ，一般情况下，能满足 ( 1 + r ：r j + r f r m 一) r m 一r r r ，且当直流闭环增益值r 艘，不甚高时，近似满足r r ( r i n - r ，) r ，则由式( 2 1 6 ) 可得闭环电压增益的近似函数式 r ， 郫) = 锱* 丽 ( 2 - 1 7 ) 闭环3 d b 带宽为 b = 赢磊1 ( 2 1 8 ) 由式( 2 1 4 ) 和式( 2 1 8 ) 可知，对于一个给定c f a 器件组成的 反相放大器，其闭环带宽可用反馈电阻毋调节，闭环直流增益则可 用r ，进行控制，实现了增益与带宽的单独调节。 但是，从式( 2 1 6 ) 的分母可以看出，对于c f a 构成的反相输 入闭环电压放大器，闭环带宽与闭环增益并非完全独立，降低碍佃， 比值和r 一的数值，闭环增益对带宽的影响会大大减弱。 2 2 3 对c f h 负反馈闭环特性的讨论 从上面的分析可以看出，不论是反相输入或同相输入方式，由 c f a 构成的闭环电压放大器具有下列特点。 闭环带宽主要由时间常数g 母决定，对于给定运放元件，g 硕士学位论文 为常数，带宽主要决定于反馈电阻郫改变母可调节带宽。 闭环直流增益由r d r ，比值决定，改变r ，可调节增益，但不 大影响带宽。因此可实现增益与带宽独立调节，或者在不同增益下基 本实现恒定带宽。这一特性是传统电压模式运放电路不能做到的。 当选用的电路参数不满足尺r ( r i nr p 倡，条件时，闭环带 宽将受硒值及毋膻，比值的影响，闭环增益提高( 即比值r r 组，增加) ， 带宽将有所变窄。但是，其带宽随增益升高而变窄的程度与传统电压 型运放闭环电路相比要弱得多，这里并不存在增益一带宽积等于常数 的特性。 由于c f a 反相端输入电阻r _ l 二| 乍零值( 理想条件下，r w 一为零) 的存在，使得r ，形成对反馈电流的分流作用，导致闭环增益与带宽 的独立性受到损害。因此，在设计c f a 电路时，要尽量降低其输入 缓冲器的输出电阻( 即r ，) 值，以减小其对闭环特性的影响。 2 2 4 电流反馈运放性能特点综述及其应用 c f a 的电流工作模式和独特拓扑结构，产生了它的特殊性能，其 中有突出的优点，也有明显的缺点【2 】。 1 ) 没有“增益一带宽积为常数”的限制。c f a 是一种闭环系统， 工作在深度负反馈状态，反馈信号是加到一个固有低阻抗点的电流信 号，该电流反馈信号几乎完全由反馈电阻值r ，决定，形成了c f a 放 大器“反馈电阻一带宽积为常数”的闭环特性。减小r ，值即可扩展 带宽，与闭环增益值没有关系。因此，利用c f a 可以同时实现宽频 带和高增益的要求。c f a 的这一特性克服了常规v f a 放大器“增益 一带宽积为常数”的固有缺点，是c f a 最突出的优点之一。 2 ) 极高的转换速率。转换速率高低直接决定放大器的大信号处 理能力，常规v f a 的转换速率由差动输入级的恒定尾电流及对相位 补偿电容的有限充电速度所限制。c f a 的误差信号是电流，在闭环条 件下，当输入端和输出端的电压平衡被打破时，将有误差电流出现在 输入端，该误差电流将驱使相位补偿电容充电并建立新的电压平衡。 c f a 的误差电流大小完全由一个外接线性电阻m 所决定，此外没有 别的内部机制限制误差电流。因此，使c f a 处理大信号与处理小信 电流反馈放大器原理及其应用 号的能力原则上没有区别，这也是c f a 的特殊优点之一。 3 ) 静态( 直流) 误差较大。由于双极互补工艺中的p n p 与n p n 晶体管的特性难以理想对称，使c f a 的静态误差较大，主要包括： 由输入级p n p 与n p n 管v b e 不同引起的输入失调电压，典型值为 2 4 0 m v ，一般比v f a 的失调电压大；其次，反相输入端偏置电流 厶邢同相输入端偏置电流厶+ 引起的失调电压，其中，厶一比厶+ 大得多， 所以厶一的影响最严重。当厶琉过反馈电阻尺r 时产生输出失调电压， 由于r ，值影响带宽，其数值由厂家推荐，不能任意取小，造成厶一引 起的误差比圪。引起的误差大。 4 ) 传输函数( 增益) 精度较低。放大器的共模抑制能力是影响 增益精度的重要因素之一。由于c f a 同相端与反相端拓扑结构的不 对称性，使其抑制共模能力比基于源耦差动输入级的v f a 要差，其 c m r r 、p s r r 等指标比v f a 低，c m r r 的典型值为5 0 - 6 5 d b ，影 响增益精度的另一个原因是反相输入端偏置电流厶一随输入电压幅度 而改变，一般为o 5 51 ta v ，厶一的变化量流过尺厂将引起增益误差。 其次，c f a 的设计重点着眼于提高工作速度，通常只有单放大级，其 开环增益比v f a 要低得多，开环跨阻值一般低于2 mq ，开环增益一 般低于1 0 3 ；对于v f a ，1 0 4 的开环增益是常见的。 5 ) 电流热噪声较大。双极型c f a 的晶体管通常偏置在相当大的 电流工作状态，以便于提高工作速度，因此，与v f a 相比，c f a 表 现出较高的电流热噪声和相近的电压噪声，c f a 中的主要噪声源是反 相端偏置电流厶一。经计算，同相端与反相端之间的噪声电压为1 5 5 o n v 幅；，反相偏置电流中的噪声约为1 7 p a 压i ，该噪声电流值 乘以反馈电阻r ，成为输出端噪声电压。显然，尺，- 值越小，闭环增益值 越小，厶一的噪声作用就越小。 6 ) c f a 特有的高频率及大信号处理能力，使其适用于大信号、 低失真的高性能视频系统及高速通信系统，也可以在高速数据放大 器、快速模数转换器、传输线驱动器及缓冲器中应用。 此外，由于c f a 内部电路可以看作是电流传输器c c i i 和输出电 压缓冲器的组合，它无需像基于电流传输器的应用电路那样再另外增 加缓冲器。因此，把c f a 作为基本单元块，可实现用c c i i 构成的各 硕士学位论文 种模拟信号处理电路以及正弦波振荡器电路。 电流反馈放大器原理及其应用 第三章基于电流反馈运放的模拟电路 在模拟集成电路中，由运算放大器构成的基本单元模块具有广泛 的运用，它与其他元器件组合可以构成各种模拟信号处理电路。同样， c f a 的通用性也很强，它也能组成基本单元块，与其他元件组合构成 能处理模拟信号的各种电路，而且这些电路由于电流反馈运放自身的 优点及使用的方便性，在频率特性、动态范围等方面比由普通运算放 大器组成的电路具有更优良的特性，其应用也更加广泛。 本章全面归纳了以c f a 为有源器件的有源网络单元模块电路， 在前人的基础上补充了几种模块单元：提出了一种接地式通用阻抗变 换器以及一种乘除法器。 3 1 有源网络元件的模拟电路 3 1 1 线性受控源 受控源2 6 、2 7 1 又叫相关源，其值受另一支路的电流或端口电压控 制( 或称与之相关) 。受控源可分为受控电压源和受控电流源两类， 每一类又包含电压控制与电流控制两种，即有四种受控源：电压控制 电压源( 简称v c v s ) 、电流控制电压源( 简称c c v s ) 、电压控制电 流源( 简称v c c s ) 和电流控制电流源( 简称c c c s ) 。它们的符号如 图3 1 所示。 压控制电压源流控制电压源 ( c ) 电压控制电流源( d ) 电流控制电流源 图3 1四种受控源 这四种受控源的传输函数为： 一 一蕊一一 硕士学位论文 v c v s ：圪= a 矿杉c c v s ：圪= ， v c c s ：1 2 = g 了i c c c s ：i2 = a i l z 与普通运算放大器一样，用c f a 也可构成四种线性受控源。 ( a )( b ) ( c ) 图3 2 电压控制电压源 图3 2 所示为电压控制电压源，其中图3 2 ( a ) 所示，是利用 c f a 的端口特性：反相输入端的电压等于同相输入端的电压，以同相 端为输入，反相端为输出，输入一输出关系为： v o = 形 ( 3 1a ) 图3 2 ( b ) 所示，与图3 2 ( a ) 一样，不同的是，它还利用了 c f a 同相输入端电流为零的特性，利用两个电阻分压，来控制输出端 的电压，其输入一输出关系为： v o = 志k ( 3 - l b ) 图3 2 ( c ) 中，输入电压接在c f a 的同相输入端，反相端和增 益节点z 端分别接地电阻r ，、见，输出电压从c f a 的输出端取出， 输入一输出关系为： v o = 鲁形 ( 3 - 1 c ) ( a )( b )( c ) 图3 - 3 电流控制电压源 图3 3 所示为电流控制电压源。图3 3 ( a ) 中输入电流全部流过 电阻r ，输出电压由电阻r 的阻值决定： v o = 以 ( 3 2a ) 电流反馈放大器原理及其应用 图3 3 ( b ) 中，利用增益节点z 引出端的电流等于反相输入端流 入的电流，以及输出端的电压由z 端电压传送而得的特性，并由z 端所接电阻尺控制输出电压圪的值。 图3 3 ( c ) 与图3 3 ( b ) 类似，只是输出电压由所接的第二个 c f a 的同相输入端取出。图3 3 ( b ) 、( c ) 的输入一输出关系均为： v o ：一r i i ( 3 2b ) ( a )( b ) 图3 4 电压控制电流源 图3 4 所示为电压控制电流源，其中图( a ) 的输入电压接在c f a 的同相输入端，通过在反相输入端接一个接地电阻月，将电压信号转 换成电流信号，再由增益节点z 引出的端口输出： i o 一- - - ；( 3 - 3 a ) 而图3 4 ( b ) 则是将输入电压经电阻r 接到c f a 的反相输入端， 同相输入端接地，其输入一输