电流反馈运算放大器与电压反馈运算放大器的区别与应用

- 2 - 《国外电子元器件》1997 年第 1 期 1997 年 1 月 ●应用 经验 班主任工作经验交流宣传工作经验交流材料优秀班主任经验交流小学课改经验典型材料房地产总经理管理经验 a 电压反馈运算放大器交流 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 框图 b 电流反馈运算放大器交流分析框图 图 1 运算放大器交流分析框图 运算放大器是应用最广的集成电路。根 据运算放大器不同的特性 ,它能满足高精度、 高频率的要求 , 并且应用方便。但是如何正 确选择与使用运算放大器 , 这是设计电路时 十分关注的问题。 运算放大器按照反馈信号类型进行分 类 , 可以分为电压反馈运算放大器和电流反 馈运算放大器两大类。本文对它们之间的区 别及如何正确使用电流反馈运算放大器进行 简单介绍 ,供广大读者参考。 1、电流反馈运算放大器和电压反 馈运算放大器的区别 电流反馈运算放大器和电压反馈运算放 大器是二种不同反馈信号的运算放大器 , 基 本区别如下 : 1. 1 输入极结构不同 电压反馈运算放大器的同相输入端与反 相输入端不仅结构基本相同 , 而且输入阻抗 基本相同。在差动输入模式和共模形式下。 输入阻抗一般都在 10Ω以上。而电流反馈运 算放大器的输入端是一个连接同相输入端与 反相输入段的单位增益缓冲器。同相输入端 与反相输入端输入阻抗相差极大。同相输入 端的输入阻抗一般在 10Ω以上 , 反相输入端 的输入阻抗在理想状态下为 0 , 实际上有几 十欧输入阻抗。因此对于输入阻抗的表达方 式也是不同的。 进行交流分析时 ,原理框图如图 1 所示。 1. 2 影响运算放大器带宽因素不同 电压反馈运算放大器开环时 , 输出电压等 于开环增益AOL 与输入的偏差电压 V er r 的积 V out = AOL ( S ) V er r (1) 式中 A OL (S ) = GDC1 +γOCCS S = jω (2) GD C :直流开环增益 电流反馈运算放大器与电压反馈运算放大器 的区别与应用 西安英世模拟器件有限责任公司 张强 摘要 : 本文介绍了电流反馈运算放大器与电压反馈运算放大器的区别及其有关的增 益表达式 ,并且列举了几个应用实例 ,说明如何选用运算放大器。 关键词 :电流反馈 电反馈 频率平坦度 - 3 - γO :开环方程中的有效阻抗 CC :补偿电容。 补偿电容不仅影响放大器的稳定性 , 而 且决定了放大器的转换速率。 当接成同相输入的闭环电路时 , 电压反 馈运算放大闭环增益为 : V O = ( V in + - V in - ) AOL ( S ) (3) V i n = R G R G + R F V O (4) 运算后 ,化简得到 : V O V i n = 1 + R F R G 1 1 + 1 L G (5) L G = A OL (S ) 1 + R F R G (6) L G :闭环状态下的环路增益 因此 , 影响电压反馈运算放大器的闭环 增益 ,不仅是开环增益 AOL (S) ,而且还有反 馈电阻 RF 和增益电阻 RG 。 在低频时 ,由于开环增益非常大 ,可以忽 略开环增益的影响。当频率增高时 ,AOL (S )开 始以 20dB/ 10 倍频速率下降 ,最终会成为影 响电路增益的主要因素。 电流反馈运算放大器 , 在开环时 , 它的输 出电压等于开环阻抗 Z(S) [ Transimpedance ] 和输入误差电流 Ier r 乘积。 V ou t = Ier r Z ( S ) (7) Z (S ) = R T1 + R TC TS S = jω (8) RT :直流开环互阻抗 CT : 镜像电流源控制转换速率的补偿电 容 电流反馈放大器的转换速率 , 由 CT 和 放大器的内部残余电流决定。 当连接成同相的闭环形式时 , 电流反馈 放大器的闭环增益表达式 : V O - V i n - R T + - V i n R G + Ier r = 0 (9) Ier r = V o/ Z ( S ) (10) 将式 (10)代入式 (9) ,化简后得到 : V O V i n + = 1 + R F R G 1 1 + 1L G (11) L G = Z (S ) R F (12) 在闭环电路中 , 电流反馈运算放大器的 传递函数表达式 (11)和电压反馈运算放大器 的传递函数表达式 (5)是相同的 ,但是电流反 馈运算放大器的闭环增益表达式 (12)与电压 反馈运算放大器的闭环增益表达式 (6) 是不 同的。影响电流反馈运算放大器的闭环增益 除了放大器本身的互阻抗 Z(S) 外 ,只有反馈 电阻 RF 一个因素。因此对于电流反馈运算 放大器 , 当反馈电阻 RF 确定之后 , 改变增益 电阻 RG , 不影响电路的闭环频带 , 而对于电 压反馈运算放大器不改变反馈电阻 RF ,只改 变增益电阻时 ,也影响电路的闭环频带。 1. 3 交直流性能不同 电流反馈运算放大器与电压反馈运算放大器的区别与应用 a . 电压反馈放大器的同相增益电路 b. 电流反馈放大器的同相增益 图 2 运算放大器同相输入时增益电路图 - 4 - 《国外电子元器件》1997 年第 1 期 1997 年 1 月 电流反馈运算放大器的直流性能 (VO S 、 CHR 等) 要比精密电压反馈运算放大器差 , 但是电流反馈放大器的交流性能要比电压反 馈放大器好。例如 , 电流反馈放大器的频带 要比电压反馈放大器高 , 尤其是 0. 1dB 的信 号频率平坦度及相位变化 , 电流反馈放大器 要比电压反馈放大器好得多 , 甚至不是同一 数量级的比较。 1. 4 转换速率不同 电流反馈运算放大器的转换速率取决于 输入信号边沿速率 , 而电压反馈运算放大器 的转换速率取决于电路内部结构。因此在高 频大信号的条件下 , 电流反馈运算放大器的 转换速率远高于电压反馈运算放大器。 2、电流反馈运算放大器应用中应 注意的几个问题 电流反馈运算放大器和电压反馈运算放 大的使用方法基本相同 , 但由于放大器内部 结构的差异 , 因此 , 使用时要注意这种差别 , 正确选择放大器的类型。以下介绍使用中应 注意的几个问题。 2. 1 同相放大器的应用 不论是电压反馈运算放大器还是电流反 馈运算放大器 ,都适用于同相放大器。 在应用电压反馈运算放大器时 ,闭环带宽 不仅决定于反馈电阻 RF , 而且还决定于增益 电阻 RG 。对于电流反馈运算放大器 ,闭环带宽 仅决定于反馈电阻 RF , 改变增益电阻 RG 时 , 不改变电路的闭环带宽。闭环带宽的的一阶响 应是随着反馈电阻 RF 的变化而变化。 2. 2 反相放大器的应用 当运算放大器用于反相放大器时 , 由于 内部结构的不同 ,选用时是有区别 ,尤其是多 输入端电压反馈放大器的传递函数会有明显 的变化 ,如图 3 所示。 2. 3 电压跟随器的应用 电压跟随器是同相输入放大器的一个特 例。电压跟随器的增益为 1。放大器内部结构 决定了由电流反馈放大器组成电压跟随器时 , 放大器的输出端不能直接与反相输入端短接 , 而必须通过一个电阻才能连接 ,见图 4 电路。 这是由于输出端与反相输入端直接连接 时 ,相当于输出短路 ,会使电流反馈运算放大 表 1 　电压反馈运算放大器和电流反馈运算放大器几项主要参数比较 单位 电压反馈运算放大器 电流反馈运算放大器 AD854 AD847 AD817 AD811 AD846 AD9618 ADEL2020 输入失调电压 mV 0. 25 0. 5 0. 5 0. 5 25μV 0. 5 1. 5 输入失调电流 25pA 50mA 50nA 2μA 输 入 阻 抗 输入阻抗 Ω 1011 3 ×105 3 ×104 输入电容 p F 4. 0 1. 5 1. 5 同相输入 Ω 15 ×105 104 75 ×103 107 反相输入 Ω 14 50 75 ×10 40 输入偏置 同相 (典型值) nA 0. 75 3300 3300 200 3000 5000 1000 电流 反相 (典型值) nA 0. 75 3300 3300 200 150 0 500 小信号单位增益带宽 MHz 16 50 50 140 80 160 90 0. 1dB 信号平坦度 MHz 35 25 转换速率 V/μs 20 300 300 2500 450 1800 500 电压噪声 nV/ Hz 80 15 15 1. 9 20 1. 2 2. 9 互阻抗 MΩ 1. 5 200 3. 5 共模抑制 dB 95 95 66 64 共模抑制比 dB 125 52 - 5 - 图 3 多输入端放大器原理图 a . 电压反馈运算放大器的电压跟随器原理图 b. 电流反馈运算放大器的电压跟随器的原理图 图 4 不同类型运算放大器组成的电压跟随器原理图 图 5 利用光敏二极管构成的互阻放大器 器内部产生过热和过流保护 , 器件无输出电 压。所以必须串入一个电阻 , 该电阻的典型 值为 1kΩ以上。 值得指出的是 ,在电压跟随器情况下 ,输 出端与反相输出端之间接入一个电阻并非是 电流反馈放大器独有的特点 , 输入阻抗很低 的高频电压反馈放大器也应串入一个电阻才 能正常使用。 2. 4 利用反接光敏二极管构成互阻放大器 在电路图 5 中 , 当改变反馈电阻 RF 时 , 就改变了电路增益。当采用电压反馈放大器 时 , 在高频时改变 RF 通常不影响电路的带 宽。这是由于闭环增益主要由输入电容和反 馈电容决定 , 使闭环增益与开环增益可能在 预定点相交。如果采用电流反馈放大器 , 当 改变 RF 时 ,就会改变电路的带宽 ,使得电路 的带宽随增益的变化而改变。另一方面 , 电 流反馈放大器的反相输入端电流噪声要比电 压反馈放大器大。因此 ,在图 5 中 ,应该采用 电压反馈放大器。 2. 5 多功能滤波器 利用 4 个运算放大器和辅助元件 , 可构 成一个有高通、低通和带通的多功能滤波器 , 原理图如图 6 所示。 在电路中 , A2 和 A3 是积分器 , 应选用 精密电压反馈运算放大器 , 如果选用电流反 馈运算放大器的话 ,在反馈回路中 ,单独的电 容元件 (无任何串联电阻)将使电路工作不稳 定。R1 和 R6 分别调节 A1 和 A4 的增益。调 节增益时 ,既不能影响频带 ,又要保证能够独 立调整 ,因此 ,选用电流反馈运算放大器最合 适。这样使电路具有更高的频带 ,这一点对于 A1 来讲是很关键的。 3、结论 应用时 , 应该根据实际电路很好地选用 运算放大器 , 使电路的各项性能指标得到充 分的体现。如果要求电路有比较高的闭环增 电流反馈运算放大器与电压反馈运算放大器的区别与应用 - 6 - 《国外电子元器件》1997 年第 1 期 1997 年 1 月 泉州市金侨电子公司专营“SMD”表面贴装元器件 ,原 装进口日、美、欧等 10 多家世界名牌厂商产品 ,常年系列现 货供应 : 品牌元件 :“AV X”、“村田”、“TD K”; 品牌器件 : “N EC”、“松下”、“东芝”、“日立”、“摩托罗拉”等。 一、贴片电容 : 规格 :0603、0805、1206、1210、1812、2225、3034 等。 介质容量 :N PO :OR32221 0. 14 X7R :2212332 0. 13 3012511 0. 16 4722682 0. 15 5612751 0. 18 8222103 0. 18 8212122 0. 25 104 0. 40 1522222 0. 32 105 3. 70 Z5V 、Y5V 103 0. 12 474 0. 50 104 0. 20 684 0. 65 224 0. 32 105 0. 75 334 0. 38 475 4. 00 备注 :规格 1206 价格加 0. 02 元 二、贴片电阻 : 1/ 16W 0603 0Ω21. 2MJ 0. 06 1/ 10W 0805 0Ω22. 2MJ 0. 04 1/ 8W 1206 0Ω22. 2MJ 0. 05 3MO220MO 、1/ 2W (1210) ;1W (2212) 另询。 三、贴片电感 : ( TD K ;松下) :0805、1206、1210、1812 0. 012uH～47uH 1. 30 330uH～510uH 2. 00 56uH～220uH 1. 60 四、贴片钽电 : :CA45、“N EC”、“AV X” A 型 :1206 6832155 0. 95 2252475 1. 35 B 型 :1210 1052685 1. 60 1062476 2. 20 C 型 :2212 1052226 2. 50 D 型 2 :818 4762107 4. 50 五、贴可调电容 :“春田”、“AV X” 春田 : TZBX4Z(p F) 1. 526、2210、4220、6240、8270 2. 30 春田 : TZB03Z(p F) 2210、3220、4230、5240 1. 20 AV X :C TZ2 :C TZ3 1. 526、2210、3220、4230、4240 3. 00 六、贴片可调电位器 :RV G3、RV G4 100Ω～510kΩ系列 1. 60 七、贴片稳压二极管 (1/ 2W) SO T223 1. 5～62V 0. 60 LL234(圆柱形) 1. 5V～32V 0. 55 八、贴片整流二极管 :LL234(圆柱形) 4001、4002 ⋯⋯4007 0. 38 九、贴片二极管 : SO T223 IN4148 0. 35 LL234(圆柱形) IN4148 0. 26 十、贴片三极管 :SO T223、SO T289 ⋯⋯ 2SA :1162、812 0. 45 2SC :2712、1623 0. 45 2SB :624 0. 70 2SC :2757 0. 80 (其它系列索询) 十一、贴片发光管 :红、绿、橙 0805 0. 85 元 1206 1. 20 元 C TL (Φ2 轴向脚) 0. 75 元 十二、超小型独石电容 : CC4、C T4 系列价格索询 欢迎来人、来函索询、邮购。汇款开户 : 泉州市农行浮 办。帐号 :20565300874016920 泉州金侨电子公司 地 址 :泉州市侨乡商品街 2 - 002 邮编 :362000 电 话 :0595 - 2981895、2289757 传 真 :0595 - 2981895 总经理 :吴思艾 市场部 :吴燕红、吴燕青 图 6 具有高通 ,低通和带通输出二阶状态可变滤波器 益 , 则选用电流反馈运算放大器。如果即要 求电路在高频状态有高的闭环增益 , 很好的 频率平坦度 , 又要保证调整闭环增益不影响 电路频带 , 则选用 AD811、AD8011、AD812 等视频电流反馈运算放大器比较好。电流反 馈放大器在闭环宽频带范围内有较低的增益 偏差。电压反馈运算放大器在闭环低增益情 况下 , 性能比较好 , 在高增益 情况时 , 会降低精度和带宽指 标。在差动输入电路中 , 一般 选用电压反馈运算放大器 , 这 是由于电压反馈运算放大器 的共模抑制比要比电流反馈 运算放大器高。 参考文献 : 1. Analog Devices In Analog Dialogue Volume 30. Number3. 1996 2. Analog Pevoces Inc Design2in Reference Manual 1994 咨询编号 :970301 编者注 :本文由英世集团特约刊登 ,关于 AD 公司运算放大器的咨询请直接与该公司联 系 ,具体地址参见中插广告。 泉州市金侨电子公司商品信息 (简目右报价 未报出部分 索询