高速电压反馈运算放大器

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高速电压反馈运算放大器 [复制链接]

为了针对给定应用选择正确的高速运算放大器，需要了解各种运算放大器拓扑结构以及它
们之间的权衡考虑。使用最为广泛的两种拓扑结构是电压反馈(VFB)和电流反馈(CFB)。以
前的指南(MT-050、MT-051、MT-052)中已概要描述过这些拓扑结构，接下来，我们将更
加详细地介绍这两种拓扑结构与频率相关的方面。
高速电压反馈(VFB)运算放大器拓扑结构
电压反馈(VFB)运算放大器的电路拓扑结构与电流反馈(CFB)运算放大器不同。VFB运算放
大器无疑在低频应用中最受欢迎，但CFB运算放大器在高频下具有一定的优势。我们将在
指南MT-057中详细讨论高速CFB运算放大器，这里先谈谈更加传统的VFB架构。
早 期 的IC电 压 反 馈 运 算 放 大 器 基 于“全NPN”工 艺 制 成 。 这 些 工 艺 针 对NPN晶 体 管 而 优
化——“横向”PNP晶体管的性能相对较弱。采用这种低质PNP的早期VFB运算放大器示例
包括709、LM101和741。
横向PNP一般只用作电流源、电平转换器，或者其他非关键功能。下面的图1所示为基于
这种工艺制成的一种典型VFB运算放大器的简化原理图。




输入级为一个差分对(有时称为长尾对)，由双极性对(Q1, Q2)或FET对构成。该“gm
”(跨导)级将小信号差分输入电压v转换成一个电流i，其传递函数以电导率单位1/Ω(或姆欧)测量。
小信号发射极电阻re大约等于小信号gm的倒数。单个双极性晶体管的小信号gm的计算公式来自以下等式：




其中，IT为差分对尾电流，IC为集电极静态偏置电流(IC= IT
/2)，q为电子电荷，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。在+25°C下，VT= kT/q= 26 mV(经常称为热电压VT)。就如我们即将看到的那样，放大器单位增益带宽积fu等于gm/2πCP，其中，电容CP用于设置主极点频率。为此，尾电流IT
与绝对温度成比例(PTAT)。该电流会跟踪re随温度的变化情况，从而使gm不依赖于温度。使CP
在温度范围内保持不变是相对容易的。gm级的Q2集电极输出驱动横向PNP晶体管的发射极(Q3)。需要注意的是，Q3并非用于放
大信号，而是用来转换电平，即Q2集电极中的信号电流变化出现在Q3的集电极上。Q3的
集电极电流会在高阻抗节点A上形成一个电压，CP设定放大器的主极点。发射极跟随器Q4
提供低阻抗输出。高阻抗节点A处的有效负载可通过与主极点电容CP
并联的电阻RT表示。小信号输出电压vout等于小信号电流i与RT和CP的并联阻抗之积。

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下面的图2所示为单极放大器的简单模型以及对应的波特图。波特图是以对数-对数比例尺 绘制的。



低频断点fO通过以下等式计算


注意，高频响应完全取决于gm和CP



单位增益带宽频率fu发生于|vout| = |v|时。使ω = 2πfu且|vout| = |v|，等式4中的fu可以求解




我们可以使用反馈理论来推导电路信号输入电压vin及其输出电压vout之间的闭环关系