运算放大器(运放)是放大电压的模拟电路。它们的输出电压可以是基于它们的差分输入(电压反馈放大器,或VFAs)上的电压差,或基于这些输入(电流反馈放大器,或CFAs)之间的电流。这两种运放都有优点和缺点。在许多应用中,它们被用来调节和放大模拟信号。
拓扑差异
VFA概念化为单级,其中放大器的开环增益感测和放大差分电压。然而,它通常实现为三个阶段:差分输入级以缓冲和放大输入信号,通常为五个或10倍;第二阶段将差分信号转换为单端信号,同时提供非常高的增益(1000至10,000V / v);并且最终阶段,通常是低输出阻抗,单位增益缓冲器,在第二级和负载的高输出阻抗之间中间提供,同时提供驱动负载所需的电流增益(图1)。为了稳定,中间的高增益级还包括一个频率补偿电容器。开环增益是三个阶段电压增益的乘积。
1.在内部,大多数VFAs包括三个阶段:差分输入阶段,具有非常高的增益,将差分信号转换为单端,和最终低z级出去,单位增益缓冲区。
概念上,CFA仅包括在非反相和反相输入之间具有高输入阻抗的单位增益缓冲器。这是输出级,其电压等于通过缓冲器的电流,乘以传输阻抗,z(图2)。
通常,CFA在非反相和反相输入之后的非反相和反相输入之间实现为高Zin单位增益缓冲器,然后是跨阻抗输出级。
对拓扑的影响:增益带宽产品
两个运放内部结构的差异产生了一些拓扑的含义。首先,VFA有一定的增益带宽限制。它的开环增益在直流下很大。在由相位平面的极点决定的频率之上,由中间增益阶段的稳定电容引起,然而,它的增益在6分贝/八度时下降。
在通过负反馈设置固定电压增益的应用中,反馈阻抗不仅影响VFA的闭环增益,还影响其带宽。本质上,两者的产品(称为其增益带宽产品)是恒定的,对于任何给定的现实世界VFA,设计人员必须为带宽进行收益,反之亦然
但CFA的情况并非如此。和VFA一样,CFA的闭环增益是基于反馈回路中的外部组件。但与VFA不同的是,CFA的收益基本上与出现频率无关。这是好的部分。
缺点是,就设计师可以选择的反馈元素而言,CFA的灵活性不如VFA。事实上,对于任何给定的CFA,数据表严格限定了反馈电阻RF的允许值。在允许的范围内,可以使用RF的值来控制CFA的频率响应,所以这个限制有一些积极的方面。
对拓扑的影响:转换率
VFA的另一个主要限制是转换速率,或者它的输出能很好地跟随输入端的快速电压变化。可用于充放电稳定电容的电流限制了转换速率。cfa天生就比VFAs具有更快的转换率。
重速限制是重要的,因为它们影响总谐波失真(THD),这将限制下游模数转换器(ADC)的有效位数。设计人员可以在VFA中减轻这些限制,基本上通过提供足够的电流足以充电,以对输入级电容充电,但这些方法超出了本讨论的范围。
CFA不仅具有比VFA更高的带宽,它也具有可调节的带宽。CFA的带宽代替恒定的增益带宽产品,而不是恒定的增益带宽,主要是反馈电阻器和补偿电容的函数。缺点是CFA的稳定性也随着反馈电阻的值而变化。基本上,CFA的转换速率等于通过补偿电容的值除以反馈电流。
其他CFA的局限性
其他CFA缺点包括适度的精度,不对称输入,偏移差,偏移差和热诱导的稳定误差。此外,CFA要求用户拥有一定程度的专业知识,以适当地利用其资产。许多工程师发现VFA更简单。