讯号路径设计讲座(9)针对高速应用的电流回授运算放大器

电流回授运算放大器架构已成为各类应用的主要解决方案。该放大器架构具有很多优势，并且几乎可实施于任何需要运算放大器的应用当中。

电流回授放大器没有基本的增益频宽产品的局限，随着讯号振幅的增加，而频宽损耗依然很小就证明了这一点。由于大讯号具有极小的失真，所以在很高的频率情况下这些放大器都具有极佳的线性度。电流回授放大器在很宽的增益范围内的频宽损耗很低，而电压回授放大器的频宽损耗却随着增益的增加而增加。准确地说就是电流回授放大器没有增益频宽产品的限制。当然，电流回授放大器也不是无限快的。变动率受制于晶体管本身的速度限制（而非内部偏置(压)电流）。这可以在给定的偏压电流下实现更大的变动率，而无需使用正回授和其它可能影响稳定性的转换增强技术。

那么，我们如何来建立这样一个奇妙的电路呢？电流回授运算放大器具有一个与差动对相对的输入缓冲器。输入缓冲器通常是一个射极追随器或类似的器件。非反向输入是高阻抗的，而缓冲器的输出（即放大器的反向输入）是低阻抗的。相反，电压回授放大器的2个输入均是高阻抗的。

电流回授运算放大器输出的是电压，而且与透过称为互阻抗Z(s)的复变函数流出或流入运算放大器的反向输入端的电流有关。在直流电情况下，互阻抗很高（与电压回授放大器类似），并且随着频率的增加而单极滚降。
　
图1. Z(s)和回授电阻示意图

解决电流回授运算放大器灵活性问题的关键在于可调整的频宽和可调整的稳定性。因为回授电阻值会改变放大器的AC回路动态特性，所以会影响频宽和稳定性。除了极高的变动率和根据回授电阻调整频宽的能力，您还可以获得与器件的小讯号频宽很接近的大讯号频宽。最好的是，该频宽在宽增益范围内被大量保留。并且，因为固有的高线性度，所以您也可以在高频率情况下获得低失真和大讯号。

找到最佳的回授电阻(RF)

由于放大器的AC特性部分取决于回授电阻，所以我们能够针对各个独特的应用调整放大器。降低回授电阻的值能增加回路增益。在低增益下，回授电阻会设成较高的值，以便保持高稳定性和最大频宽。随着增益的增加，回路增益自然就降低了。在需要高增益时，可以透过使用较小的回授电阻来部分的恢复该回路增益。
　
图2. LMH6714的频率反应和RF特性 - （20056512copy.tif）
　

从图2可以看出改变回授电阻时频宽的变化。在最右边RF等于147奥姆处，您可以看到频率反应正好达到最大值。该曲线还具有最大频宽。将电阻降到远低于147奥姆会导致在脉波反应时产生共振电路的振铃，而再低时会发生实际振荡。RF = 300的曲线具有极佳的平坦度和增益，而且还具有可与峰值频率反应相媲美的频宽。因此，我们可以完成很高的稳定性，而未损耗大量的频宽。如果应用只需50或60 MHz的频宽（高于该值就会产生噪声），您可以透过改变回授电阻来调节器件的频率反应。使用这一类频宽有限的快速放大器的主要原因是它能够提供极佳的讯号逼真度。
　
图3. 推荐的回授电阻和非反向增益

同一器件的数据表如图3所示。指定的非反向增益条件下建议使用的回授电阻如图所示。在增益为2的情况下，推荐使用的回授电阻为300奥姆，这样可获得最佳的增益平坦度、稳定时间和速度组合。并且，从图中可以看出在增益为1的情况下，需要使用600奥姆的回授电阻才可获得最佳的性能。这是因为回路增益很高，需要大阻值电阻才可实现高稳定性。这是电流回授架构和电压回授架构的主要区别。电流回授放大器不能输出短接到反向输入一同使用。

数据表中最常用的电阻是针对增益为2的状况。然而，从图2可以看出，您可以根据不同状况灵活选用电阻。数据表中的推荐值是用于执行性能表中规定的指针和曲线的值。

在增益为5的情况下，RF低至200奥姆，如图3所示。增益设定机电阻如今仅为50奥姆，所以我们达到了输入缓冲器电阻和增益设定电阻相近的点。这会降低运算放大器的闭回互阻抗，并随着增益的增加而开始限制频宽。在增益为8的情况下，回授电阻重新回到275奥姆。一旦不能透过降低回授电阻来增加增益，就得牺牲频宽来获得较高的增益，这时电流回授放大器的运作模式就和电压回授放大器类似了。

电路板布局

电流回授运算放大器（或者是高速产品一般需要考虑的元素）需要仔细考虑的元素之一是电路板布局。表面黏着、电源陶瓷旁路电容需要距离器件很近，一般不超过3mm。如果需要较大的，则电解电容器可以距离电路板稍远一点。通常会装设一个板上稳压器。这种情况下，除了稳压器供货商推荐使用的那些电容外，无需再添加电解电容器。安装在放大器附近的小型陶瓷旁路电容器用于驱动放大器的高频反应。根据放大器速度和放大讯号的不同，可以使用2个电容值至少相差10倍的陶瓷电容。例如，400MHz的放大器可以并联0.01uF和1nF电容。

购买电容器时，检查本身的共振频率是很重要的。在接近或高于该频率的频率下，电容不具备任何优势。接地和电源平面层有助于为接地电流和电源电流提供低阻抗通路。接地和电源平面层都应从放大器的输入和输出引脚下面以及回授电阻下面移出。其结果有助于透过降低不需要的寄生电容来保持放大器的稳定性。

要尽可能的使用表面贴装组件。其结果可以提供最高的性能，并且占用的电路板空间也最小。PC板的走线应要尽可能的短，短尺寸能将寄生效应降至最低水平。以电源走线来说，最糟糕的寄生特性就是DC电阻和电感，所以电源走线也应要尽可能的宽。另一方面来说，输入和输出走线传输的电流通常都很小，所以容性寄生现象的危害性最大。对于超过1cm的讯号通路而言，最好是使用可控阻抗和双端负载的传输线路。

由于少量的寄生负载是不可避免的，所以电流回授放大器的回授电阻能为特殊应用灵活调整放大器的性能。虽然电路板布局极具挑战性，但即使这样，再大的回授电阻也有可能不够。这种情况下，还有另外一种方法。
　
图4. 利用串联输出电阻隔离容性负载