运算放大器的速度/带宽优化设计

　　关键词：模拟集成电路;运算放大器;转换速率;带宽

1 引言

　　运算放大器在电子系统中一直被广泛运用于中/视/音频信号处理。为了适应不断提高的高速、宽频信号采集或放大处理需求,尽一切努力提高运算放大器的速度和带宽性能,一直是模拟IC开发厂商孜孜不倦追求的目标或理想。

　　随着集成电路设计和工艺水平的不断发展,高速/宽带运算放大器,已成为运放家族中极为重要的分支,在各种电子领域得到了大量应用。

　　按其内部结构和基本原理,运算放大器可大致区分为常规的电压反馈结构和较为新型的电流反馈结构。运算放大器面世的时间虽然较长,但电流反馈运放的基本原理和两种类型运放的内部结构及其在使用时的差异,却并不为普通电子设计师所熟悉。对比电流反馈和电压反馈运算放大器,本文简要介绍了两种放大器的基本原理和频率模型,提出了提高运算放大器速度和带宽性能的有效途径,并对其使用时的稳定性进行了简要分析。

2 电压反馈和电流反馈结构的对比

2.1 电压反馈运算放大器

　　电压反馈(VF)运算放大器,是对加在差分输入端上的误差电压V_e(即V_p-V_n)进行放大的电压放大器。设输出电压为Vo,则有如下关系:

V_o=a×V_e

式中,a是运算放大器的开环电压增益。

　　电压反馈型运算放大器简化模型如图1所示。

　　电压反馈运算放大器的输入级完成电压至电流的转换,一般采用共发射极对称结构。同相端和反相端均为高阻输入。中间放大级把电流转换为电压,并提供主要的电压增益。输出级为互补的发射极跟随器,提供较强的电流输出能力。图2是一个典型的电压反馈型运算放大器线路结构。

2.2 电流反馈运算放大器

　　电流反馈(CF)运算放大器是对加在反相输入端上的误差电流i_e进行放大的跨阻放大器。设输出电压为V_o,有如下关系:

V_o=i_e×Z_t

式中,Z_t是电流反馈运放的跨阻放大系数。

　　电流反馈型运算放大器简化模型如图3所示,反相输入端相当于等效输入缓冲器的输出端,低阻输入,接收电流信号进行误差放大。

　　图4是一个典型的电流反馈型运算放大器线路结构。电流反馈运放的输入级不对称,为AB类输入结构。其同相端为共射互补输入结构(高阻),反相端为共基互补输入结构(低阻)。中间放大级的电流镜和高阻单元不提供高的电压增益,主要完成电流向电压的转换。它不采用共射放大形式,因而频率特性好。而反相输入端可通过反馈电流进行驱动,因此,器件可获得高转换速率和良好的频率特性。输出级采用AB类放大器输出形式,具有较强的电流输出能力和小的谐波失真,因而使器件可以获得良好的交流动态性能。

3 运算放大器的频率模型

3.1 电压反馈运算放大器

　　电压反馈运算放大器在作同相放大运用时,频

率模型如图5所示。有V_o=a×V_e=V_e×g_m×(R_C‖C_C),

由R_C‖C_C=,即电压反馈运算放大器的开环增益a。

　　理想情况下,电路闭环电压增益,有

,此时的信号频率,即运算放大器的-3dB带宽,也就是电路的截止频率,,指电压反馈放大器的闭环增益与闭环带宽乘积保持恒定,这就是通常所说的增益带宽乘积GBP。

3.2 电流反馈运算放大器

　　电流反馈运算放大器在作同相放大运用时,频率模型如图6所示。有V_o=i_e×Z_t=i_e×(R_C‖C_C),由即电流反馈运算放大器的跨阻Z_t。

　　理想情况下,电路闭环电压增益,有

从上式可以看出:1)当2π f R₂C_C=1时,,此时的信号频率即运算放大器的-3dB带宽,电流反馈运算放大器的闭环增益与闭环带宽已经没有必然联系。放大器的带宽只与反馈电阻R₂有关,而闭环增益则可以通过调节R₁进行设置。另外,需要说明的是:电压反馈和电流反馈运放的增益在开环放大状态下都存在j2πfR_CC_C因子。因此,随着信号频率的增加,当该因子大于1以后,运算放大器的开环增益将会以-20dB/dec的斜率开始下降。

4 提高运算放大器速度/带宽的有效途径及稳定性分析

4.1 提高运算放大器的速度和带宽

　　运算放大器的转换速率,即压摆率

式中,I₁为输入级工作电流。

　　由上式可以看出,提高运算放大器的转换速率,可以采用两种途径:1)增加输入级的工作电流;2)减小电路内部补偿电容。

　　运算放大器的-3dB带宽就是运算放大器在闭环工作情况下的截止频率f_c。从第3.1节和第3.2节的公式可以看出:无论是电压反馈运算放大器,还是电流反馈运算放大器,减小电路内部的补偿电容,对提高运算放大器的带宽性能都具有决定性的意义。

4.2 运算放大器的使用及稳定性分析

4.2.1 电压反馈运算放大器

　　电压反馈运算放大器在进行稳定性设计时一般都具有单位增益稳定的特点。因此,在使用该类型运放时,无需在外围考虑稳定　性补偿设计。但是,正是这个特点限制了该类型运放速度、带宽性能的进一步优化和提高。

4.2.2 电流反馈运算放大器

　　在使用电流反馈运算放大器时,外接负反馈电阻决定其工作的稳定性。反馈电阻取值越小,电路工作的信号带宽越宽,但工作越不稳定,越容易自激。因此,为了保证运放工作稳定,反馈电阻的取值存在一个值。对于电流反馈运放,切不可采用输出端与反相输入端直接短接的使用方式形成电压跟随器,因为在这种条件下,运算放大器必定会振荡。

　　总之,提高运算放大器的速度和带宽,希望减小补偿电容C_C。但如果补偿电容太小,容易导致器件自激振荡,使电路工作很不稳定。另外,在电流反馈运算放大器的使用过程中,反馈网络内引入电容也应慎重。因为它对电路的工作频带和工作稳定性的影响都非常大。

5 结束语

　　运算放大器是一种通用的模拟集成电路。随着技术的不断发展,在该领域产生了一些新的电路结构和设计理念。本文阐述的运算放大器的速度/带宽设计原理和使用细节,无论是从运放的产品开发还是产品的应用角度,都具有较为实用的指导意义。