文章簡(jiǎn)要介紹了電流反饋和電壓反饋運(yùn)算放大器的基本原理，從理論上分析了兩種運(yùn)放的頻率等效模型，進(jìn)而提出了提高運(yùn)算放大器速度和帶寬的有效途徑。另外，文章還對(duì)高速運(yùn)算放大器使用過程中的穩(wěn)定性進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

1 引言

運(yùn)算放大器在電子系統(tǒng)中一直被廣泛運(yùn)用于中/視/音頻信號(hào)處理。為了適應(yīng)不斷提高的高速、寬頻信號(hào)采集或放大處理需求，盡一切努力提高運(yùn)算放大器的速度和帶寬性能，一直是模擬IC開發(fā)廠商孜孜不倦追求的目標(biāo)或理想。

隨著集成電路設(shè)計(jì)和工藝水平的不斷發(fā)展，高速/寬帶運(yùn)算放大器，已成為運(yùn)放家族中極為重要的分支，在各種電子領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用。

按其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基本原理，運(yùn)算放大器可大致區(qū)分為常規(guī)的電壓反饋結(jié)構(gòu)和較為新型的電流反饋結(jié)構(gòu)。運(yùn)算放大器面世的時(shí)間雖然較長(zhǎng)，但電流反饋運(yùn)放的基本原理和兩種類型運(yùn)放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其在使用時(shí)的差異，卻并不為普通電子設(shè)計(jì)師所熟悉。對(duì)比電流反饋和電壓反饋運(yùn)算放大器，本文簡(jiǎn)要介紹了兩種放大器的基本原理和頻率模型，提出了提高運(yùn)算放大器速度和帶寬性能的有效途徑，并對(duì)其使用時(shí)的穩(wěn)定性進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

2 電壓反饋和電流反饋結(jié)構(gòu)的對(duì)比

2.1 電壓反饋運(yùn)算放大器

電壓反饋（VF）運(yùn)算放大器，是對(duì)加在差分輸入端上的誤差電壓Ve（即Vp-Vn）進(jìn)行放大的電壓放大器。設(shè)輸出電壓為Vo，則有如下關(guān)系：

Vo=a×Ve

式中，a是運(yùn)算放大器的開環(huán)電壓增益。

電壓反饋型運(yùn)算放大器簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

電壓反饋運(yùn)算放大器的輸入級(jí)完成電壓至電流的轉(zhuǎn)換，一般采用共發(fā)射極對(duì)稱結(jié)構(gòu)。同相端和反相端均為高阻輸入。中間放大級(jí)把電流轉(zhuǎn)換為電壓，并提供主要的電壓增益。輸出級(jí)為互補(bǔ)的發(fā)射極跟隨器，提供較強(qiáng)的電流輸出能力。圖2是一個(gè)典型的電壓反饋型運(yùn)算放大器線路結(jié)構(gòu)。

2.2 電流反饋運(yùn)算放大器

電流反饋（CF）運(yùn)算放大器是對(duì)加在反相輸入端上的誤差電流ie進(jìn)行放大的跨阻放大器。設(shè)輸出電壓為Vo，有如下關(guān)系：

Vo=ie×Zt

式中，Zt是電流反饋運(yùn)放的跨阻放大系數(shù)。

電流反饋型運(yùn)算放大器簡(jiǎn)化模型如圖3所示，反相輸入端相當(dāng)于等效輸入緩沖器的輸出端，低阻輸入，接收電流信號(hào)進(jìn)行誤差放大。

圖4是一個(gè)典型的電流反饋型運(yùn)算放大器線路結(jié)構(gòu)。電流反饋運(yùn)放的輸入級(jí)不對(duì)稱，為AB類輸入結(jié)構(gòu)。其同相端為共射互補(bǔ)輸入結(jié)構(gòu)（高阻），反相端為共基互補(bǔ)輸入結(jié)構(gòu)（低阻）。中間放大級(jí)的電流鏡和高阻單元不提供高的電壓增益，主要完成電流向電壓的轉(zhuǎn)換。它不采用共射放大形式，因而頻率特性好。而反相輸入端可通過反饋電流進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此，器件可獲得高轉(zhuǎn)換速率和良好的頻率特性。輸出級(jí)采用AB類放大器輸出形式，具有較強(qiáng)的電流輸出能力和小的諧波失真，因而使器件可以獲得良好的交流動(dòng)態(tài)性能。

3 運(yùn)算放大器的頻率模型

3.1 電壓反饋運(yùn)算放大器

電壓反饋運(yùn)算放大器在作同相放大運(yùn)用時(shí)，頻

率模型如圖5所示。有Vo=a×Ve=Ve×gm×（RC‖CC），

由RC‖CC=

，即電壓反饋運(yùn)算放大器的開環(huán)增益a。

理想情況下，電路閉環(huán)電壓增益

，有

，此時(shí)的信號(hào)頻率，即運(yùn)算放大器的-3dB帶寬，也就是電路的截止頻率，

，指電壓反饋放大器的閉環(huán)增益與閉環(huán)帶寬乘積保持恒定，這就是通常所說的增益帶寬乘積GBP。

3.2 電流反饋運(yùn)算放大器

電流反饋運(yùn)算放大器在作同相放大運(yùn)用時(shí)，頻率模型如圖6所示。有Vo=ie×Zt=ie×（RC‖CC），由

即電流反饋運(yùn)算放大器的跨阻Zt。

理想情況下，電路閉環(huán)電壓增益

，有

從上式可以看出：1）當(dāng)2π f R2CC=1時(shí)，

，此時(shí)的信號(hào)頻率即運(yùn)算放大器的-3dB帶寬，

電流反饋運(yùn)算放大器的閉環(huán)增益與閉環(huán)帶寬已經(jīng)沒有必然聯(lián)系。放大器的帶寬只與反饋電阻R2有關(guān)，而閉環(huán)增益則可以通過調(diào)節(jié)R1進(jìn)行設(shè)置。另外，需要說明的是：電壓反饋和電流反饋運(yùn)放的增益在開環(huán)放大狀態(tài)下都存在j2πfRCCC因子。因此，隨著信號(hào)頻率的增加，當(dāng)該因子大于1以后，運(yùn)算放大器的開環(huán)增益將會(huì)以-20dB/dec的斜率開始下降。

4 提高運(yùn)算放大器速度/帶寬的有效途徑及穩(wěn)定性分析

4.1 提高運(yùn)算放大器的速度和帶寬

運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率，即壓擺率

式中，I1為輸入級(jí)工作電流。

由上式可以看出，提高運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率，可以采用兩種途徑：1）增加輸入級(jí)的工作電流;2）減小電路內(nèi)部補(bǔ)償電容。

運(yùn)算放大器的-3dB帶寬就是運(yùn)算放大器在閉環(huán)工作情況下的截止頻率fc。從第3.1節(jié)和第3.2節(jié)的公式可以看出：無論是電壓反饋運(yùn)算放大器，還是電流反饋運(yùn)算放大器，減小電路內(nèi)部的補(bǔ)償電容，對(duì)提高運(yùn)算放大器的帶寬性能都具有決定性的意義。

4.2 運(yùn)算放大器的使用及穩(wěn)定性分析

4.2.1 電壓反饋運(yùn)算放大器

電壓反饋運(yùn)算放大器在進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì)時(shí)一般都具有單位增益穩(wěn)定的特點(diǎn)。因此，在使用該類型運(yùn)放時(shí)，無需在外圍考慮穩(wěn)定　性補(bǔ)償設(shè)計(jì)。但是，正是這個(gè)特點(diǎn)限制了該類型運(yùn)放速度、帶寬性能的進(jìn)一步優(yōu)化和提高。

4.2.2 電流反饋運(yùn)算放大器

在使用電流反饋運(yùn)算放大器時(shí)，外接負(fù)反饋電阻決定其工作的穩(wěn)定性。反饋電阻取值越小，電路工作的信號(hào)帶寬越寬，但工作越不穩(wěn)定，越容易自激。因此，為了保證運(yùn)放工作穩(wěn)定，反饋電阻的取值存在一個(gè)最小值。對(duì)于電流反饋運(yùn)放，切不可采用輸出端與反相輸入端直接短接的使用方式形成電壓跟隨器，因?yàn)樵谶@種條件下，運(yùn)算放大器必定會(huì)振蕩。

總之，提高運(yùn)算放大器的速度和帶寬，希望減小補(bǔ)償電容CC。但如果補(bǔ)償電容太小，容易導(dǎo)致器件自激振蕩，使電路工作很不穩(wěn)定。另外，在電流反饋運(yùn)算放大器的使用過程中，反饋網(wǎng)絡(luò)內(nèi)引入電容也應(yīng)慎重。因?yàn)樗鼘?duì)電路的工作頻帶和工作穩(wěn)定性的影響都非常大。

5 結(jié)束語

運(yùn)算放大器是一種通用的模擬集成電路。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，在該領(lǐng)域產(chǎn)生了一些新的電路結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)理念。本文闡述的運(yùn)算放大器的速度/帶寬設(shè)計(jì)原理和使用細(xì)節(jié)，無論是從運(yùn)放的產(chǎn)品開發(fā)還是產(chǎn)品的應(yīng)用角度，都具有較為實(shí)用的指導(dǎo)意義。

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