Операционный усилитель с обратной связью по току - Current-feedback operational amplifier

Типичная схема операционного усилителя или усилителя с обратной связью по току.

В операционный усилитель с обратной связью по току (Финансовый директор или же CFA) является разновидностью электронный усилитель чей инвертирующий вход чувствителен к Текущий, а не Напряжение как в обычной обратной связи по напряжению операционный усилитель (VFA). CFA был изобретен Дэвидом Нельсоном в Комлинеар Corporation, и впервые был продан в 1982 году как гибридный усилитель CLC103. Ранний патент на CFA Патент США 4,502,020 , Дэвид Нельсон и Кеннет Саллер (подано в 1983 году). В Интегральная схема CFA были представлены в 1987 году компаниями Comlinear и Elantec (дизайнер Билл Гросс). Обычно они производятся с тем же расположением выводов, что и VFA, что позволяет заменять эти два типа местами без повторного подключения, когда это позволяет схемная конструкция. В простых конфигурациях, таких как линейные усилители, CFA может использоваться вместо VFA без каких-либо модификаций схемы, но в других случаях, таких как интеграторы, требуется другая конструкция схемы. Классическая конфигурация дифференциального усилителя с четырьмя резисторами также работает с CFA, но коэффициент подавления синфазного сигнала беднее, чем у VFA.

Операция

Что касается показанной схемы, то секция, отмеченная красным, образует входной каскад и усилитель ошибки. Инвертирующий вход (узел, к которому подключены эмиттеры Q1 и Q2) имеет низкое сопротивление и, следовательно, чувствителен к изменениям тока. Резисторы R1 – R4 устанавливают условия покоя смещения и выбираются таким образом, чтобы токи коллектора Q1 и Q2 были одинаковыми. В большинстве конструкций схема активного смещения используется вместо пассивного резистивного смещения, и неинвертирующий вход также может быть модифицирован, чтобы стать низким импедансом, как у инвертирующего входа, чтобы минимизировать смещения.

При отсутствии сигнала из-за текущие зеркала Q3 / Q4 и Q5 / Q6, токи коллектора Q4 и Q6 будут равны по величине, если токи коллектора Q1 и Q2 также равны по величине. Таким образом, на вход буфера не будет протекать ток (или, что то же самое, на входе буфера не будет напряжения). На практике из-за несовпадения устройств токи коллектора неодинаковы, и это приводит к разнице, протекающей на входе буфера, что приводит к смещению на его выходе. Это исправляется регулировкой входного смещения или добавлением схемы обнуления смещения.

Секция, отмеченная синим цветом (Q3 – Q6), образует преобразователь I-V. Любое изменение коллекторных токов Q1 и Q2 (в результате сигнала на неинвертирующем входе) проявляется как эквивалентное изменение напряжения на стыке коллекторов Q4 и Q6. Cs представляет собой стабилизирующий конденсатор, обеспечивающий стабильность цепи при любых условиях эксплуатации. Из-за широкой полосы пропускания разомкнутого контура CFA существует высокий риск выхода схемы из строя. Cs обеспечивает ослабление частот, на которых могут начаться колебания, особенно при работе с низким коэффициентом усиления замкнутого контура.

Выходной каскад (пурпурный) - это буфер, обеспечивающий усиление по току. Он имеет коэффициент усиления по напряжению, равный единице (+1 на схеме).

Сравнение VFA и CFA

В полосе частот VFA с внутренней компенсацией преобладает внутренний компенсирующий конденсатор с доминирующим полюсом, что приводит к постоянному ограничению усиления / полосы пропускания. CFA также имеют преобладающий конденсатор компенсации полюсов, но из-за использования обратной связи по току вместо обратной связи по напряжению результирующий отклик разомкнутого контура будет другим. Стабильность VFA зависит от отношения усиления разомкнутого контура к усилению обратной связи; Стабильность CFA зависит от отношения трансимпеданса разомкнутого контура к сопротивлению обратной связи. VFA имеют зависимость усиление / пропускная способность; CFA имеют зависимость сопротивления трансимпеданса / обратной связи.

В VFA динамические характеристики ограничиваются произведением коэффициента усиления на полосу пропускания и скоростью нарастания. CFA используют топологию схемы, которая подчеркивает работу в токовом режиме, который по своей природе намного быстрее, чем работа в режиме напряжения, потому что он менее подвержен влиянию паразитных узловых емкостей. При изготовлении с использованием высокоскоростных дополнительных биполярных процессов CFA могут быть на порядки быстрее, чем VFA. Во многом это связано с тем, что большинство VFA компенсируют стабильность при единичном усилении. Декомпенсированные VFA могут быть такими же быстрыми, как и CFA. С помощью CFA усиление усилителя можно регулировать независимо от полосы пропускания. В этом заключаются основные преимущества CFA перед обычными топологиями VFA.[1]

К недостаткам CFA относятся более низкие характеристики входного напряжения смещения и входного тока смещения. Кроме того, усиление контура постоянного тока обычно меньше примерно на три десятичных порядка. CFA имеют гораздо более высокий шум инвертирующего входного тока. Цепи CFA должны использовать определенное значение сопротивления обратной связи для достижения максимальной производительности. Более низкое значение сопротивления обратной связи может вызвать колебания усилителя. Цепи CFA никогда не должны включать прямую емкость между выходным и инвертирующим входными контактами, поскольку это часто приводит к колебаниям. CFA идеально подходят для приложений с очень высокой скоростью и умеренными требованиями к точности.[2]

Разработка более быстрых VFA продолжается, и на момент написания этой статьи VFA доступны с продуктами с широкополосным усилением в низком диапазоне УВЧ. Тем не менее, CFA доступны с изделиями ширины полосы пропускания более чем на октаву выше, чем их собратья VFA, а также могут работать в качестве усилителей, очень близких к их произведениям ширины полосы частот.

Смотрите также

Операционный усилитель с обратной связью по току представляет собой источник напряжения с регулируемым током (CCVS).

дальнейшее чтение

  • «Операционные усилители с обратной связью по току и их применение» Радж Сенани, Д. Р. Бхаскар, В. К. Сингх и А. К. Сингх, Springer Science + Business Media, Нью-Йорк, 2013 г. ISBN  978-1-4614-5187-7 https://www.springer.com/gp/book/9781461451877
  • «Применение операционного усилителя с обратной связью по току» профессора Ахмеда М. Солимана

https://www.researchgate.net/publication/227165604_Applications_of_the_Current_Feedback_Operational_Amplifiers

  • «Реализация класса схем аналоговой обработки / генерации сигналов: новые конфигурации с использованием операционных усилителей с обратной связью по току», профессор Радж Сенани, Frequenz: Journal of Telecommunications (Германия), т. 52, нет. 9/10, стр. 196–206, 1998.

https://www.researchgate.net/publication/260854255_Realization_of_a_Class_of_Analog_Signal_Processing_Signal_Generation_Circuits_Novel_Configurations_Using_Current_Feedback_Op-Amps

  • «Операционный усилитель с обратной связью по току и приложения» Ф. Дж. Лиджи и Халеда Хаятлеха, Electronics and Communication Engineering Journal, 9 (4), стр. 176–182, сентябрь 1997 г.

https://www.researchgate.net/publication/3364493_Current-feedback_operational_amplifiers_and_applications

Рекомендации

  1. ^ Франко, Серджио (2002). Дизайн с операционными усилителями и аналоговыми интегральными схемами. Макгроу-Хилл. п. 293. ISBN  0-07-232084-2.
  2. ^ Франко, Серджио (2002). Дизайн с операционными усилителями и аналоговыми интегральными схемами. Макгроу-Хилл. п. 299. ISBN  0-07-232084-2.