在電壓反饋(VFB)和電流反饋(CFB)運算放大器之間選擇

電流反饋和電壓反饋具有不同的應用優(yōu)勢。在很多應用中，CFB和VFB的差異并不明顯。當今的許多高速CFB和VFB放大器在性能上不相上下，但各有其優(yōu)缺點(diǎn)。本指南將考察與這兩種拓撲結構相關(guān)的重要考慮因素。

VFB和CFB運算放大器的直流及運行考慮因素

VFB運算放大器

●   對于要求高開(kāi)環(huán)增益、低失調電壓和低偏置電流的精密低頻應用，VFB運算放大器是正確的選擇。高速雙極性輸入VFB運算放大器的輸入失調電壓很少進(jìn)行微調，因為輸入級的失調電壓匹配十分出色，一般為1至3 mV，失調溫度系數為5至15μV/°C。在微調后，可實(shí)現低于20 μV的輸入失調電壓。采用自穩零架構的運算放大器可提供低于5 μV的失調電壓，但我們在此不予考慮。有關(guān)自穩零運算放大器的詳情，請參閱指南MT-055。

●   VFB運算放大器上的輸入偏置電流（無(wú)輸入偏置電流補償電路）在(+)輸入端和(–)輸入端大致相等，范圍為1至5 μA。有的FET輸入運算放大器的輸入偏置電流不到200 fA，適用于靜電計等應用。（如AD549）。

●   因輸入偏置電流引起的輸出失調電壓可以歸零，其方法是反相和同相輸入端中的有效源電阻相等。這種方法對于偏置電流補償VFB運算放大器無(wú)效，因為這類(lèi)放大器的輸入端有額外的電流誤差源。在這種情況下，凈輸入偏置電流不一定相等，也不一定具有相同的極性。

●   VFB運算放大器在反饋網(wǎng)絡(luò )控制著(zhù)整體響應的應用中十分有用，比如有源濾波器應用。然而，有些VFB運算放大器是經(jīng)過(guò)非完全補償處理的，使用時(shí)必須超過(guò)其額定的最低閉環(huán)增益。

●   VFB運算放大器的簡(jiǎn)化模型是大家耳熟能詳的，所有模擬電子教材中都有論述。

●   VFB架構適用于那些需要軌到軌輸入和輸出的低電源電壓應用。

CFB運算放大器

●   另一方面，我們對電流反饋(CFB)運算放大器的了解較少，相關(guān)文獻也不多。許多設計師選擇VFB運算放大器，只是因為他們更了解這種放大器。

●   CFB運算放大器的開(kāi)環(huán)增益和精度一般低于精密VFB運算放大器。

●   CFB運算放大器的反相和同相輸入阻抗不相等，而且CFB運算放大器的輸入偏置電流一般也是不相等且不相關(guān)的，因為(+)輸入端和(–)輸入端具有完全不同的架構。為此，外部偏置電流取消機制也不起作用。CFB輸入偏置電流的范圍為5至15 μA，在反相輸入端一般都較高。

●   由于CFB運算放大器一般是針對一個(gè)固定的反饋電阻值而優(yōu)化的，因此，除設置閉環(huán)增益以外，其反饋網(wǎng)絡(luò )的靈活性顯得不足。這使得CFB運算放大器不適合多數有源濾波器，Sallen-Key濾波器除外，因為這種濾波器可以采用合適的固定反饋電阻進(jìn)行設計。圖1總結了VFB和CFB運算放大器的直流及運行考慮因素。

●   CFB架構確實(shí)適用于軌到軌輸入和輸出。

VFB和CFB運算放大器的直流及運行考慮因素

■   VFB運算放大器

●   高開(kāi)環(huán)增益和直流精度

●   提供低失調電壓(<20 μV)

●   提供低偏置電流（JFET、CMOS或偏置電流補償） (<200 fA)

●   平衡輸入阻抗

●   靈活的反饋網(wǎng)絡(luò )

●   提供軌到軌輸入和輸出

■   CFB運算放大器

●   較低的開(kāi)環(huán)增益和直流精度

●   較高的失調電壓

●   反相輸入阻抗低，同相輸入阻抗高

●   輸入偏置電流不如VFB低，并且匹配程度不如VFB

●   實(shí)現最佳性能需使用固定反饋電阻

VFB和CFB運算放大器的交流考慮因素

VFB運算放大器

●   VFB運算放大器的一個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)是，它們可在較寬的頻率范圍內提供恒定的增益帶寬積。

●   另外，市場(chǎng)上有高帶寬、高壓擺率、低失真VFB運算放大器，其針對低靜態(tài)電流采用了“H橋”架構（指南MT-056）。

●   VFB運算放大器適用于各類(lèi)有源濾波器架構，因為其反饋網(wǎng)絡(luò )非常靈活。

CFB運算放大器

●   CFB拓撲結構主要用于對高帶寬、高壓擺率和低失真有極高要求的場(chǎng)合。有關(guān)CFB運算放大器交流特性的詳細討論，請參閱指南MT-057。

●   對于給定的互補性雙極性IC工藝，CFB一般可在相同量的靜態(tài)電流下產(chǎn)生比VFB高的FPBW（因而具有較低的失真）。這是因為CFB幾乎不存在壓擺率限制。為此，其全功率帶寬和小信號帶寬大約相同。然而，高速VFB運算放大器中使用的“H橋”架構在性能上幾乎與CFB運算放大器相當（指南MT-056）。

●   不同于VFB運算放大器，CFB運算放大器的反相輸入阻抗極低。在反相模式下將運算放大器作為I/V轉換器使用時(shí)，這是一種優(yōu)勢，因為其對反相輸入電容的敏感度低于VFB。

●   CFB運算放大器的閉環(huán)帶寬由內置電容以及外置反饋電阻的值決定，相對而言，是獨立于增益設置電阻的（即從反相輸入端到地的電阻）。這使得CFB運算放大器成為要求增益獨立帶寬的可編程增益應用的理想選擇。

●   由于CFB運算放大器必須配合一個(gè)固定反饋電阻使用，才能實(shí)現最佳穩定性，因此，在除Sallen-Key濾波器以外，它們作為有源濾波器的應用是十分有限的。

●   在CFB運算放大器中，其反饋電阻上較小的雜散電容值可能導致不穩定。

VFB和CFB運算放大器的交流考慮因素

■   VFB運算放大器

●   恒定的增益帶寬積

●   提供高壓擺率和高帶寬

●   提供低失真版本

●   靈活的反饋網(wǎng)絡(luò )

●   適合有源濾波器

■   CFB運算放大器

●   各種閉環(huán)增益下的帶寬相對恒定

●   增益帶寬積不恒定

●   針對特定工藝和功耗提供略高的壓擺率和帶寬（相比VFB而言）

●   提供低失真版本

●   實(shí)現最佳性能需使用固定反饋電阻

●   雜散反饋電容導致不穩定

●   難以用于非Sallen-Key型有源濾波器

●   低反相輸入阻抗降低I/V轉換器應用中的輸入電容影響

VFB和CFB運算放大器的噪聲考慮因素

VFB運算放大器

●   市場(chǎng)上有些精密VFB運算放大器的輸入電壓噪聲不到1 nV/√Hz。多數JFET或CMOS輸入VFB運算放大器的輸入電流噪聲低于100 fA/√Hz，有些則低于1 fA/√Hz。然而，總輸出噪聲不但取決于這些值，同時(shí)也取決于閉環(huán)增益和反饋電阻的實(shí)際值（指南MT-049）。

●   對于VFB運算放大器，反相和同相輸入電流噪聲一般相等，而且幾乎總是不相關(guān)。寬帶雙極性VFB運算放大器的典型值范圍為0.5 pA/√Hz至5 pA/√Hz。當增加輸入偏置電流補償電路時(shí)，雙極性輸入級的輸入電流噪聲會(huì )提高，因為它們的電流噪聲不相關(guān)，因而會(huì )（以RRS方式）增加雙極性級的內生電流噪聲。然而，偏置電流補償很少用在高速運算放大器中。

CFB運算放大器

●   CFB運算放大器中的輸入電壓噪聲一般低于帶寬與之近似的VFB運算放大器。其原因在于，CFB運算放大器中的輸入級一般在較高的電流下工作，從而使發(fā)射極電阻下降，結果導致電壓噪聲降低。CFB運算放大器的典型值范圍為1至5 nV/√Hz。

●   然而，CFB運算放大器的輸入電流噪聲一般大于VFB運算放大器，因為其偏置電流普遍較高。CFB運算放大器的反相電流噪聲和同相電流噪聲通常不同，因為它們采用的是獨特的輸入架構，二者表示為獨立的規格參數。多數情況下，反相輸入電流噪聲是二者中較大者。CFB運算放大器的典型輸入電流范圍為5至40 pA/√Hz。這往往可能占據主導地位，但在電壓噪聲占主導地位的超高閉環(huán)增益下除外。

計算噪聲的最佳方法是寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的電子表格計算程序，以自動(dòng)進(jìn)行計算，其中要包括所有噪聲源。在指南MT-049 中討論的等式可用于該目的。

VFB和CFB運算放大器的噪聲考慮因素

■   VFB運算放大器

●   提供低電壓噪聲( < 1 nV/√Hz)

●   提供低電流噪聲（JFET和CMOS輸入）

●   反相和同相輸入電流噪聲相等且不相關(guān)

●   計算總噪聲時(shí)必須考慮反饋網(wǎng)絡(luò )和外部電阻值

■   CFB運算放大器

●   低電壓噪聲（1至5 nV/√Hz）

●   較高的電流噪聲（5至40 pA/√Hz）通常是主要因素

●   計算總噪聲時(shí)必須考慮反饋網(wǎng)絡(luò )和外部電阻值

總結

對于多數通用或高精度低頻、低噪聲應用，VFB運算放大器通常是最佳選擇。VFB運算放大器也非常適合單電源應用，因為許多此類(lèi)放大器提供軌到軌輸入和輸出。

VFB運算放大器具有極為靈活的反饋網(wǎng)絡(luò )，因而適用于有源濾波器設計。

CFB運算放大器具有最佳帶寬、壓擺率和失真性能，但犧牲的是直流性能、噪聲以及使用固定值反饋電阻的要求。CFB運算放大器在有源濾波器中的應用僅限于Sallen-Key等同相配置。

■   選擇VFB運算放大器可獲得下列優(yōu)點(diǎn)

●   高精度、低噪聲、低帶寬

●   軌到軌輸入和輸出

●   反饋網(wǎng)絡(luò )靈活性

●   有源濾波器

■   選擇CFB運算放大器可獲得下列優(yōu)點(diǎn)

●   超高帶寬、壓擺率和極低失真

●   不同增益下的帶寬相對恒定

●   Sallen-Key有源濾波器

參考文獻

1.Hank Zumbahlen, Basic Linear Design, Analog Devices, 2006, ISBN: 0-915550-28-1.另見(jiàn)Linear Circuit Design Handbook, Elsevier-Newnes, 2008, ISBN-10: 0750687037, ISBN-13: 978-0750687034.Chapter 1.

2.Walter G. Jung, Op Amp Applications, Analog Devices, 2002, ISBN 0-916550-26-5，另見(jiàn)Op Amp Applications Handbook, Elsevier/Newnes, 2005, ISBN 0-7506-7844-5.Chapter 1.