为什么采用EXAR电流反馈放大器?

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]高速/高精度EXAR电流反馈放大器                                                                       ---为什么采用电流反馈放大器?

    最近，和美国EXAR的FAE和资深模拟运放工程师的交流中，提到有关电流反馈放大器的一些问题。针对为什么采用电流反馈放大器这个问题，从交谈中收获了不少知识。这周在此就把所收获的一些知识和大家分享下，希望对大家以后的工作中有所作用。

    我们现在讨论EXAR/COMLINEAR获得发明专利的高速、高精度电流反馈放大器 (CFB) 的使用方法。某些采用极高速、高精度放大器的应用场合，电流反馈放大器的带宽往往必须达到1 Gigahertz，转换速率高于10,000 V/µsec。这类放大器一般用于视频监控传输、高端ATE和仪器系统、极为苛刻的高可靠性系统、高分辨率以及高压差分缓冲器和线路驱动器等应用。

    为尽可能接近理想的运算放大，制造商传统上不仅需要最大限度提高开环增益，减小偏置电压、偏流和噪声等输入误差，而且必须保证足够的带宽和建立时间。放大器动态特性对于高速DAC缓冲器、分段结构ADC、S/H电路、ATE引脚驱动器以及视频和IF驱动器特别重要。由于运算放大器一般是电压处理器件，因此通常受电压模式工作状态下固有的速度限制，这主要是节点杂散电容和晶体管截点频率造成的。由于杂散电容乘以放大级电压增益产生的米勒效应，放大器高增益转换级输入与输出节点之间的这种杂散电容影响会特别严重。另一方面，电流处理速度比电压处理快已得到长期验证。电路中杂散电感的影响比杂散电容的影响小，晶体管切换电流的速度比切换电压快得多!这些技术上的原因构成射级耦合逻辑 (ECL)、电流型DAC和EXAR/COMLINEAR获得发明专利的电流反馈放大器 (CFB) 高速放大器拓扑结构的基础。

    为了解EXAR独到之处，我们继续讨论传统运放技术。传统运放具有高输入阻抗、差分输入和电压反馈。如下图所示，V2 = 0，无反馈时，开环增益为:

   

V2连接V3 (反馈闭合)时，闭环增益为:

   

如果A(s)是某个多项式频率函数N(s)/D(s)。




    因此，极点位置是G的函数。如果应用需要较大G值，极点将位于不同于G低值的位置。如果使用的运放是高速型，大部分G值处将不稳定，因此必须采用补偿。遗憾的是，补偿不能全面控制极点和零点位置，实现所需的最佳带宽、平坦度建立时间、失真等。补偿一般是引入极低频率极点，严格限制频响，避免产生高频极点造成的问题。



这会导致几个严重问题：


    运放规格往往误导用户。例如，规定的增益带宽乘积 (GBW) 号称可以达到增益的1000倍，以使GBW值尽可能的大。但实际仅为增益的10倍，甚至更低。增益带宽仅占技术规格的百分之几。这是因为这些运放的实际GBW多个极点滚降。而且，低增益所需的补偿会进一步恶化实际带宽。


    外部补偿对PC板布局的杂散电抗、温度、负载及各种其他因素非常敏感，使得这些组件的设计十分困难。由于需要正确组合调整，对运放进行测试，生产成本非常高，使用这类运放的每个位置都会发生错误。


    提高增益G值不仅降低带宽，而且会延长建立时间，增加谐波失真。由于极点和零点位置不当，运放很难通过补偿同时达到一种以上技术规格的最佳性能指标。


    许多高速运放采用前馈技术消除低频极点，以提高带宽和转换速率。不过，如以上转换函数所示，这种消除只能在一个增益设定点取得良好效果。这是因为这类运放的性能一般仅按-1增益处规定。这个增益点性能最佳，但其他增益点性能会迅速下降。


    为了获得高开环增益，可采用几级内部电路。这样一来，信号通过放大器的传输时间会延长。当然，这会降低相位裕度。当快速上升时间或存在大信号时，还会产生相应的问题。这种情况会造成信号传递到输出之前，内部电路饱和或关闭，从而反馈到输入端修正错误信号。为避免这种情况，只能限制内部电路转换速率，以便在信号传入放大器之前不会产生非线性动作。当然，这会限制带宽和转换速率。



    EXAR/COMLINEAR运放创新



为改进性能并解决传统运放的问题，EXAR设计师经过调整满足多种重要标准的要求：
减少非线性工作的可能性。
缩短群延避免瞬态互调失真。
转换速率加大到不限制上升时间的程度。
信号通道中不采用交流前馈技术或储能器件。信号通道必须严格直流耦合。
开环增益维持较大值或精度，高保真放大。
所有变更对应用透明，以便其以传统运放相同的方式使用这种放大器。
采用电流反馈，而不是电压反馈。



为什么采用电流反馈?


如下图所示，输入级强制V2等于V1，不受R2外部反馈的影响。这样可使反相输入的阻抗非常低，便于电流在其中流入流出。
      


请注意，上面两个方程中，R2取代了传统运放闭环增益方程中频率相关部分的G。这样，可以采用电流反馈而不是电压反馈，且闭环增益方程保持不变。从而满足任何内部运放变更对用户透明的要求。


    当然，这种变更的意义在于只要R2不变，闭环增益的极点和零点也不变。



    R1的值可随闭环增益常量G的变化而改变，不影响带宽、建立时间或其他特性!对于反相增益也一样。



结果



    这种运放设计创新概念的效果是显著的：


    EXAR运放器件到器件极为可靠稳定。只要R2值不变，内部补偿可立即优化线性、带宽、建立时间和失真。多种EXAR运放一个外部补偿电容可使用其他值R2，仅略微影响转换速率和满功率带宽。


    R1扩展增益且不明显改变性能，即使增益由1变为50，由反相变为非反相。


    EXAR由于运放对增益和负载不敏感，EXAR相对一般情况可为用户提供运放性能更详细的信息。<0}{0><}100{>不必以猜测方式推测运放应用于您的电路中的效果。


    高速EXAR运放一般明显优于其他运放一个数量级。


    EXAR运放易于使用，您可以集中精力解决系统问题，而不是设计放大器！


大盛唐曾R,steve@szdst.com.cn，134※3042※8959，,1217※854※027.

总结



    设计高速放大器电路时，将系统分解为系统构成的不同功能块，并确定每种性能的限制因素是十分重要的。根据整个系统的技术指标，例如元件与信号带宽、线性与噪声要求，这些参数可用来决定系统所需的许多模拟性能参数，包括简单的布线格局、放大器带宽、转换速率以及所需增益。首先需要牢记的一点是，电路中任意一个节点都有某种与其连接的元件，从某种角度上说，它既是输入，也是输出。了解一个概念正面和负面的影响可显著提高您的系统设计能力。