运放反馈电容的作用
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■ 在相同工艺和功耗下,电流反馈型运放比电压反馈型运放的FPBW 更
高、失真更小
■ 电流反馈型运放的反向输入阻抗低、同相输入阻抗高
■ 电流反馈型运放的闭环带宽仅由内部主导极点电容C p 和外部反馈电阻
R
2决定,而与增益设置电阻R 1无关
图1.17 电流反馈型运放的特性总结
1.4 运放反馈电容的作用
在这里,需要给出噪声增益的定义。
噪声增益是一个统计量,与运放的输入终端相连的小振幅噪声电压源经过放大电路后,在输出端测量得到的放大程度即为噪声增益。
运放的输入电压噪声就是通过这种方式建模的。
另外,需要注意的是直流噪声增益也可以用于将输入电压偏移(或者运放的其他输入误差源)反映到输出端。
噪声增益不同于信号增益。
如图1.18所示,给出了反向和同相模式下的噪声增益和信号增益原理及对比。
可以发现,在同相模式下,噪声增益等于信号增益;然而,在反向模式下,噪声增益不变,但是信号增益是–R 2/R 1。
在此结构中,电阻作为反馈器件,可以对网络产生反作用。
信号增益211R R =+
信号增益21R R −= 噪声增益211R R =+ 噪声增益211R R =+
对于VFB 运放:闭环BW=
u
CL f f G =
图1.18 反相和同相模式下的噪声增益和信号增益比较
如图1.19所示是噪声增益的另外两种结构图,在这种结构模式中,通过在运放的输入端增加一个电阻R 3,使得噪声的增益能够与信号增益相独立,即在信号增益发生变化的时候,噪声增益可以保持不变。
一般互补运放在低噪声增益情况下不稳定,而通过采用这种技术结构后,可以起到稳定互补运放的作用,但是,此项技术也会使得对输入噪声和偏移电压的敏感性相应地增加。
单位增益带宽频率
噪声增益
信号增益21
1R R =+ 信号增益21R R −= 噪声增益2131||R R R =+ 噪声增益213
1||R R R =+ 图1.19 噪声增益独立于信号增益的电路结构
可以将噪声增益表示成关于频率函数的伯德图来分析运放的稳定性。
如果反馈环路纯粹是反相的,噪声增益就是与频率相关的常数,然而,在反馈环路中的反作用元件将使其随着频率的变换而改变。
变化的极点频率和零点频率决定了噪声增益的断点,通过计算可以很容易得到,再使用对数坐标伯德图可以很清楚地表示噪声增益变化。
在开环增益与噪声增益的交叉点不仅决定了运放的闭环带宽,而且可以用来分析系统的稳定性。
参考文献4中给出了通过使用伯德图分析反馈网络的相位和增益性能的方法,以及怎样做近似简化模型的例子。
正如信号增益和噪声增益不同一样,信号带宽和闭环带宽之间也有区别。
运放的闭环带宽通常由具有开环频率响应的噪声增益的交叉值决定。
只有在反馈网络是纯反相的时候,信号带宽才等于闭环带宽。
电压反馈型运放的反馈回路中经常使用电容,以获得如图1.20(a )所示的频率响应,这个频率响应与单极点低通滤波器的频率响应一样。
将得到的噪声增益绘制成伯德图,来分析稳定性和相位裕量。
系统的稳定性由噪声增益和开环增益的斜率决定。
图1.20 带反馈电容的VFB 和CFB 运放的噪声增益稳定性分析
对于无条件稳定的情况,噪声增益曲线必须要以小于12dB/信频的斜率穿越开环响应曲线。
此时,它们相交处的斜率是6dB/倍频,表明系统处于稳定状态。
注意,对于图1.20(a )所示的情况,频率响应的第二个极点出现在比f u 高很多的地方。
同样,对于图1.20(b )所示的电流反馈型运放,除了采用绘制开环互导增益T (s )的伯德图的方法外,也采样了相同的分析方法。
然而,对于电流反馈型运放,其噪声增益(用于稳定性分析)需要重新定义成与反相输入端相连的电流噪声源形式,如图1.21所示。
噪声电流通过阻抗映射到输出端,该阻抗称为电流反馈型运放的“电流噪声增益”,即 “电流噪声增益”o o 21R R Z Z ⎛⎞=+⎜⎟⎝⎠
图1.21 电流反馈型运放的“电流噪声增益”定义
接下来,返回到图1.20(b ),观察电流反馈型运放的电流噪声增益曲线,在低频段,电流反馈型运放的噪声增益近似等于R 2(假设R 0远小于Z 1和Z 2)。
第一个极点由R 2和C 2决定。
随着频率的增大,C 2变为短路,于是反相输入端的所有电流都流入R 0(如图1.21所示)。
通常在反馈环路中使用固定的反馈电阻R 2来对电流反馈型运放进行性能优化,使其性能达到最佳。
互导增益T (S )的其他极点产生在超出闭环带宽f CL (由R 2决定)频率处。
注意,在电流反馈型运放的噪声增益与开环互导增益T (S )相交点,T (S )的斜率为12dB/倍频,这表明系统并不稳定,可能会发生振荡。
因此,电流反馈型运放不宜用于在反馈环路中需要电容的场合,比如,简单的有源积分器或低通滤波器中就不宜采用电流反馈型运放。
但是,在某些特殊的有源滤波器中可以使用电流反馈型运放,例如,如图1.22所示的萨伦·基滤波器中就可以使用电流反馈型运放,其反馈网络中不需要电容。
图1.22 使用电流反馈型运放的萨伦·基滤波器
另外,电压反馈型运放则可以用于各种有源滤波电流。
如图1.23所示,是采用AD8048实现的多级反馈20MHz 低通滤波器的实例。
图1.23 采用AD8048实现的多级反馈20MHz 低通滤波器
通常,为避免因运放相移引起问题,放大器的带宽应该不小于滤波器带宽的10倍(在图1.23实例中,AD8048的带宽超过了200MHz )。
滤波器的的设计参数如下:
F o =截止频率=20MHz
∝=阻尼比=1/Q =2
H =电路的绝对值增益=|−R 4/R 1|=1
o 1
12122π4(1)100pF(50pF)k F C C H C C α=+=
== 1159.2Ω,2R Hk α=
=选用154Ω 379.6Ω,2(1)
R k H α
==+选用78.7Ω 41159.2Ω,R HR ==选用154Ω。