VFB和CFB運算放大器的直流及運行考慮因素

 

VFB運算放大器

 

●    對於要求高開環增益、低失調電壓和低偏置電流的精密低頻應用
，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電壓很少進行微調，因為輸入級的失調電壓匹配十分出色
，一般為1至3 mV
，失調溫度係數為5至15µV/°C。在微調後，可實現低於20 µV的輸入失調電壓。采用自穩零架構的運算放大器可提供低於5 µV的失調電壓，但我們在此不予考慮。有關自穩零運算放大器的詳情，請參閱指南MT-055。

●    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
，範圍為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，適用於靜電計等應用。（如AD549）。

●    因輸入偏置電流引起的輸出失調電壓可以歸零，其方法是反相和同相輸入端中的有效源電阻相等。這種方法對於偏置電流補償VFB運yun算suan放fang大da器qi無wu效xiao，因yin為wei這zhe類lei放fang大da器qi的de輸shu入ru端duan有you額e外wai的de電dian流liu誤wu差cha源yuan。在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia，淨jing輸shu入ru偏pian置zhi電dian流liu不bu一yi定ding相xiang等deng，也ye不bu一yi定ding具ju有you相xiang同tong的de極ji性xing。

●    VFB運算放大器在反饋網絡控製著整體響應的應用中十分有用，比如有源濾波器應用。然而，有些VFB運算放大器是經過非完全補償處理的，使用時必須超過其額定的最低閉環增益。

●    VFB運算放大器的簡化模型是大家耳熟能詳的
，所有模擬電子教材中都有論述。

●    VFB架構適用於那些需要軌到軌輸入和輸出的低電源電壓應用。

 

CFB運算放大器

 

●    另一方麵，我們對電流反饋(CFB)運算放大器的了解較少，相關文獻也不多。許多設計師選擇VFB運算放大器
，隻是因為他們更了解這種放大器。

●    CFB運算放大器的開環增益和精度一般低於精密VFB運算放大器。

●    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的，因為(+)輸入端和(–)輸入端具有完全不同的架構。為此
，外部偏置電流取消機製也不起作用。CFB輸入偏置電流的範圍為5至15 µA

，在反相輸入端一般都較高。

●    由於CFB運算放大器一般是針對一個固定的反饋電阻值而優化的

，因此，除設置閉環增益以外，其反饋網絡的靈活性顯得不足。這使得CFB運算放大器不適合多數有源濾波器，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計。圖1總結了VFB和CFB運算放大器的直流及運行考慮因素。

●    CFB架構確實適用於軌到軌輸入和輸出。

 

VFB和CFB運算放大器的直流及運行考慮因素



VFB運算放大器

 

●    高開環增益和直流精度

●    提供低失調電壓(<20 µV)

●    提供低偏置電流（JFET、CMOS或偏置電流補償） (<200 fA)

●    平衡輸入阻抗

●    靈活的反饋網絡

●    提供軌到軌輸入和輸出

 

CFB運算放大器



●    較低的開環增益和直流精度

●    較高的失調電壓

●    反相輸入阻抗低
，同相輸入阻抗高

●    輸入偏置電流不如VFB低，並且匹配程度不如VFB

●    實現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

 

●    VFB運算放大器的一個顯著特點是，它們可在較寬的頻率範圍內提供恒定的增益帶寬積。

●    另外，市場上有高帶寬
、高壓擺率、低失真VFB運算放大器

，其針對低靜態電流采用了“H橋”架構（指南MT-056）。

●    VFB運算放大器適用於各類有源濾波器架構
，因為其反饋網絡非常靈活。

 

CFB運算放大器

 

●    CFB拓撲結構主要用於對高帶寬、高壓擺率和低失真有極高要求的場合。有關CFB運算放大器交流特性的詳細討論，請參閱指南MT-057。

●    對於給定的互補性雙極性IC工藝，CFB一般可在相同量的靜態電流下產生比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製。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”架構在性能上幾乎與CFB運算放大器相當（指南MT-056）。

●    不同於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轉換器使用時
，這是一種優勢，因為其對反相輸入電容的敏感度低於VFB。

●    CFB運算放大器的閉環帶寬由內置電容以及外置反饋電阻的值決定，相對而言
，是獨立於增益設置電阻的（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用的理想選擇。

●    由於CFB運算放大器必須配合一個固定反饋電阻使用
，才能實現最佳穩定性，因此，在除Sallen-Key濾波器以外，它們作為有源濾波器的應用是十分有限的。

●    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致不穩定。

 

VFB和CFB運算放大器的交流考慮因素



VFB運算放大器

 

●    恒定的增益帶寬積

●    提供高壓擺率和高帶寬

●    提供低失真版本

●    靈活的反饋網絡

●    適合有源濾波器

 

CFB運算放大器

 

●    各種閉環增益下的帶寬相對恒定

●    增益帶寬積不恒定

●    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）

●    提供低失真版本

●    實現最佳性能需使用固定反饋電阻

●    雜散反饋電容導致不穩定

●    難以用於非Sallen-Key型有源濾波器

●    低反相輸入阻抗降低I/V轉換器應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

 

●    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JFET或CMOS輸入VFB運算放大器的輸入電流噪聲低於100 fA/√Hz
，有些則低於1 fA/√Hz。然而
，總輸出噪聲不但取決於這些值，同時也取決於閉環增益和反饋電阻的實際值（指南MT-049）。

●    對於VFB運算放大器，反相和同相輸入電流噪聲一般相等，而且幾乎總是不相關。寬帶雙極性VFB運算放大器的典型值範圍為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，因而會（以RRS方式）增加雙極性級的內生電流噪聲。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

 

●    CFB運算放大器中的輸入電壓噪聲一般低於帶寬與之近似的VFB運算放大器。其原因在於，CFB運算放大器中的輸入級一般在較高的電流下工作，從而使發射極電阻下降，結果導致電壓噪聲降低。CFB運算放大器的典型值範圍為1至5 nV/√Hz。

●    然而，CFB運算放大器的輸入電流噪聲一般大於VFB運算放大器

，因為其偏置電流普遍較高。CFB運yun算suan放fang大da器qi的de反fan相xiang電dian流liu噪zao聲sheng和he同tong相xiang電dian流liu噪zao聲sheng通tong常chang不bu同tong
，因yin為wei它ta們men采cai用yong的de是shi獨du特te的de輸shu入ru架jia構gou，二er者zhe表biao示shi為wei獨du立li的de規gui格ge參can數shu。多duo數shu情qing況kuang下xia
，反fan相xiang輸shu入ru電dian流liu噪zao聲sheng是shi二er者zhe中zhong較jiao大da者zhe。CFB運算放大器的典型輸入電流範圍為5至40 pA/√Hz。這往往可能占據主導地位
，但在電壓噪聲占主導地位的超高閉環增益下除外。

 

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 中討論的等式可用於該目的。

 

VFB和CFB運算放大器的噪聲考慮因素



VFB運算放大器

 

●    提供低電壓噪聲( < 1 nV/√Hz)

●    提供低電流噪聲（JFET和CMOS輸入）

●    反相和同相輸入電流噪聲相等且不相關

●    計算總噪聲時必須考慮反饋網絡和外部電阻值

 

CFB運算放大器



●    低電壓噪聲（1至5 nV/√Hz）

●    較高的電流噪聲（5至40 pA/√Hz）通常是主要因素

●    計算總噪聲時必須考慮反饋網絡和外部電阻值

 

總結

 

對於多數通用或高精度低頻、低噪聲應用，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絡，因而適用於有源濾波器設計。

 

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用僅限於Sallen-Key等同相配置。

 

選擇VFB運算放大器可獲得下列優點



●    高精度、低噪聲、低帶寬

●    軌到軌輸入和輸出

●    反饋網絡靈活性

●    有源濾波器

 

選擇CFB運算放大器可獲得下列優點



●    超高帶寬、壓擺率和極低失真

●    不同增益下的帶寬相對恒定

●    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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