運放反饋電容的作用

1、 在相同工藝和功耗下,電流反饋型運放比電壓反饋型運放的FPBW 更高、失真更小 電流反饋型運放的反向輸入阻抗低、同相輸入阻抗高 電流反饋型運放的閉環(huán)帶寬僅由內部主導極點電容C p 和外部反饋電阻R2決定,而與增益設置電阻R 1無關圖1.17 電流反饋型運放的特性總結1.4 運放反饋電容的作用在這里,需要給出噪聲增益的定義。噪聲增益是一個統(tǒng)計量,與運放的輸入終端相連的小振幅噪聲電壓源經過放大電路后,在輸出端測量得到的放大程度即為噪聲增益。運放的輸入電壓噪聲就是通過這種方式建模的。另外,需要注意的是直流噪聲增益也可以用于將輸入電壓偏移(或者運放的其他輸入誤差源反映到輸出端。噪聲增益不同于信號增益。

2、如圖1.18所示,給出了反向和同相模式下的噪聲增益和信號增益原理及對比?？梢园l(fā)現(xiàn),在同相模式下,噪聲增益等于信號增益;然而,在反向模式下,噪聲增益不變,但是信號增益是R 2/R 1。在此結構中,電阻作為反饋器件,可以對網絡產生反作用。 信號增益211R R =+信號增益21R R = 噪聲增益211R R =+ 噪聲增益211R R =+對于VFB 運放:閉環(huán)BW=uCL f f G =圖1.18 反相和同相模式下的噪聲增益和信號增益比較如圖1.19所示是噪聲增益的另外兩種結構圖,在這種結構模式中,通過在運放的輸入端增加一個電阻R 3,使得噪聲的增益能夠與信號增益相獨立,即在信號增益發(fā)生變化的

3、時候,噪聲增益可以保持不變。一般互補運放在低噪聲增益情況下不穩(wěn)定,而通過采用這種技術結構后,可以起到穩(wěn)定互補運放的作用,但是,此項技術也會使得對輸入噪聲和偏移電壓的敏感性相應地增加。單位增益帶寬頻率噪聲增益 信號增益211R R =+ 信號增益21R R = 噪聲增益2131|R R R =+ 噪聲增益2131|R R R =+ 圖1.19 噪聲增益獨立于信號增益的電路結構可以將噪聲增益表示成關于頻率函數(shù)的伯德圖來分析運放的穩(wěn)定性。如果反饋環(huán)路純粹是反相的,噪聲增益就是與頻率相關的常數(shù),然而,在反饋環(huán)路中的反作用元件將使其隨著頻率的變換而改變。變化的極點頻率和零點頻率決定了噪聲增益的斷點,通過

4、計算可以很容易得到,再使用對數(shù)坐標伯德圖可以很清楚地表示噪聲增益變化。在開環(huán)增益與噪聲增益的交叉點不僅決定了運放的閉環(huán)帶寬,而且可以用來分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。參考文獻4中給出了通過使用伯德圖分析反饋網絡的相位和增益性能的方法,以及怎樣做近似簡化模型的例子。正如信號增益和噪聲增益不同一樣,信號帶寬和閉環(huán)帶寬之間也有區(qū)別。運放的閉環(huán)帶寬通常由具有開環(huán)頻率響應的噪聲增益的交叉值決定。只有在反饋網絡是純反相的時候,信號帶寬才等于閉環(huán)帶寬。電壓反饋型運放的反饋回路中經常使用電容,以獲得如圖1.20(a 所示的頻率響應,這個頻率響應與單極點低通濾波器的頻率響應一樣。將得到的噪聲增益繪制成伯德圖,來分析穩(wěn)定性和

5、相位裕量。系統(tǒng)的穩(wěn)定性由噪聲增益和開環(huán)增益的斜率決定。 圖1.20 帶反饋電容的VFB 和CFB 運放的噪聲增益穩(wěn)定性分析對于無條件穩(wěn)定的情況,噪聲增益曲線必須要以小于12dB/信頻的斜率穿越開環(huán)響應曲線。此時,它們相交處的斜率是6dB/倍頻,表明系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。注意,對于圖1.20(a 所示的情況,頻率響應的第二個極點出現(xiàn)在比f u 高很多的地方。同樣,對于圖1.20(b 所示的電流反饋型運放,除了采用繪制開環(huán)互導增益T (s 的伯德圖的方法外,也采樣了相同的分析方法。然而,對于電流反饋型運放,其噪聲增益(用于穩(wěn)定性分析需要重新定義成與反相輸入端相連的電流噪聲源形式,如圖1.21所示。噪聲

6、電流通過阻抗映射到輸出端,該阻抗稱為電流反饋型運放的“電流噪聲增益”,即 “電流噪聲增益”o o 21R R Z Z =+ 圖1.21 電流反饋型運放的“電流噪聲增益”定義接下來,返回到圖1.20(b ,觀察電流反饋型運放的電流噪聲增益曲線,在低頻段,電流反饋型運放的噪聲增益近似等于R 2(假設R 0遠小于Z 1和Z 2。第一個極點由R 2和C 2決定。隨著頻率的增大,C 2變?yōu)槎搪?于是反相輸入端的所有電流都流入R 0(如圖1.21所示。通常在反饋環(huán)路中使用固定的反饋電阻R 2來對電流反饋型運放進行性能優(yōu)化,使其性能達到最佳。互導增益T (S 的其他極點產生在超出閉環(huán)帶寬f CL (由R 2

7、決定頻率處。注意,在電流反饋型運放的噪聲增益與開環(huán)互導增益T (S 相交點,T (S 的斜率為12dB/倍頻,這表明系統(tǒng)并不穩(wěn)定,可能會發(fā)生振蕩。因此,電流反饋型運放不宜用于在反饋環(huán)路中需要電容的場合,比如,簡單的有源積分器或低通濾波器中就不宜采用電流反饋型運放。但是,在某些特殊的有源濾波器中可以使用電流反饋型運放,例如,如圖1.22所示的薩倫·基濾波器中就可以使用電流反饋型運放,其反饋網絡中不需要電容。 圖1.22 使用電流反饋型運放的薩倫·基濾波器另外,電壓反饋型運放則可以用于各種有源濾波電流。如圖1.23所示,是采用AD8048實現(xiàn)的多級反饋20MHz 低通濾波器的實例。 圖1.23 采用AD8048實現(xiàn)的多級反饋20MHz 低通濾波器通常,為避免因運放相移引起問題,放大器的帶寬應該不小于濾波器帶寬的10倍(在圖1.23實例中,AD8048的帶寬超過了200MHz 。濾波器的的設計參數(shù)如下:F o =截止頻率=20MHz=阻尼比=1/Q =2H =電路的絕