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解剖电压反馈运算放大器

时间:2019-10-10 作者:Ron Mancini 阅读:
工程师最常向我提的一个请求是对电压反馈运算放大器和电流反馈运算放大器进行比较。但如果不弄清每种运算放大器如何工作,是不可能确定某种应用应该选择哪种运放的。 本文重点介绍了电压反馈运算放大器。

工程师最常向我提的一个请求是对电压反馈运算放大器和电流反馈运算放大器进行比较。但如果不弄清每种运算放大器如何工作,是不可能确定某种应用应该选择哪种运放的。 这里我来介绍一下电压反馈运算放大器(图1)。

VFOA.jpg
图1:电压反馈运算放大器使用长尾对来获得高精度和共模抑制(CMR)。

精度和CMR是电压反馈运算放大器的优势,与电流反馈运算放大器相比,其压摆率和频率特性较差。

在图1中,长尾对Q1-Q2和电流源I构成了电压反馈运算放大器的输入级。当基极电压相等时,Q1和Q2的完美匹配会使集电极电流相等。Q1和Q2的完美匹配还有另一个好处,就是Q1的基极接地可有效地将Q2的基极接地,因为电压降相等。 半导体工艺会尽量匹配这两个输入晶体管。如果没有配平,制造商会用其它方法使这两个晶体管看起来匹配,例如调整沉积电阻或熔断连接。

将IN–连接至IN+可消除输入差分电压。因此,输入电压变为共模。 将共模输入电压调高或调低1V不会改变Q1和Q2的集电极电流,因此电路会抑制共模电压。只要不违反集电极或发射极电流源的要求,就可以完成共模电压抑制。

将Q1和Q2匹配可确保基极-发射极电压和电流增益β相等。相等的基极-发射极电压可确保不存在输入失调电压,而相等的电流增益可确保输入电流相等。相等的输入电流消除了输入失调电流,因此可以使用外部电阻器将输入电流转换为运算放大器容易抑制的共模电压。电压反馈运算放大器的高精度是因为它有匹配的输入级。

电压反馈运算放大器是一种电压增益器件,因此,它有高阻抗节点,例如各种晶体管集电极上的节点。将高阻抗节点与最小的杂散电容耦合会引起某个频率上的信号衰减和不好的高频特性。

此外,驱动缓冲器的节点限制了电路的压摆率。预缓冲级(prebuffer-stage)的压摆率公式为dV/dT = I/C。输出电流源固定为I,结电容固定为C,因此电压反馈运算放大器的内部设计限制了其压摆率。此类电路的压摆率性能受到限制,除非你能对电路进行设计来提高其压摆率性能。但是,增加压摆率总是以增加功率为代价的,并且往往会降低增益和精度。

总之,电压反馈运算放大器具有极好的精度和CMR,同时具有中等频率和压摆率性能。

(原文刊登于ASPENCORE旗下EDN英文网站,参考链接:Anatomy of a voltage-feedback op amp,由Jenny Liao编译。)

 延伸阅读:解剖电流反馈运算放大器

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