0 引言

    近十幾年來(lái)，隨著以CB工藝為代表的各種新技術(shù)的發(fā)展和突破，模擬集成電路設(shè)計(jì)已由電壓模電路為主過(guò)渡到以電流模電路占主導(dǎo)地位的模式，在模擬電路設(shè)計(jì)中長(zhǎng)期占據(jù)統(tǒng)治地位的電壓反饋運(yùn)算放大器（VFA）正在被電流反饋運(yùn)算放大器（CFA）所取代。然而，由于VFA“先入為主”的慣性作用，傳統(tǒng)的教科書(shū)在論述集成運(yùn)算放大器的理論和應(yīng)用電路時(shí)，均以VFA為例，并未顧及CFA。雖然近年來(lái)最新出版的電子技術(shù)教材論述了CFA的原理，但就如何應(yīng)用CFA構(gòu)成運(yùn)算電路尚未涉及；各種期刊中有關(guān)CFA的應(yīng)用研究時(shí)有報(bào)道，但相關(guān)研究?jī)H限于具體問(wèn)題的討論，未見(jiàn)系統(tǒng)地研究CFA運(yùn)算電路的文獻(xiàn)，這與目前電子工程領(lǐng)域的應(yīng)用要求大相徑庭。為此，我們選用一種典型的CFA進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了幾種典型的運(yùn)算電路。本文詳細(xì)論述相關(guān)電路結(jié)構(gòu)、元件參數(shù)和仿真結(jié)果。期望能給電路設(shè)計(jì)者提供一份可以借鑒的材料。

1 反相放大器

    CFA是一種典型的電流模電路^[1]。電流模電路更少受雜散電容的影響，在制造CFA的過(guò)程中采用了高速互補(bǔ)雙極工藝，因此CFA比VFA的工作速度快幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

    雖然電流反饋運(yùn)放與電壓反饋運(yùn)放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理有著巨大差異,但由電流反饋型運(yùn)算放大器構(gòu)成負(fù)反饋應(yīng)用電路后,其輸入電壓約束條件（俗稱(chēng)“虛短”）和輸入電流約束條件（俗稱(chēng)“虛斷”）卻是完全相同的。因此，用電流反饋運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)運(yùn)算電路的基本思路和方法，與使用電壓反饋運(yùn)放設(shè)計(jì)運(yùn)算電路的傳統(tǒng)方法是基本相同的。

    由電流反饋型運(yùn)算放大器構(gòu)成的反相比例運(yùn)算電路的原理電路如圖1所示。根據(jù)圖1電路可以求得閉環(huán)增益的表達(dá)式如式(1)^[2]。

    閉環(huán)低頻增益滿足式(2)。

    式(3)中的C_eq是運(yùn)算放大器內(nèi)部的頻率補(bǔ)償電容,其值為pF數(shù)量級(jí)。由式(3)可見(jiàn)，電路的閉環(huán)帶寬僅僅依賴(lài)R₂，如果取R₂為千歐數(shù)量級(jí)的電阻，則閉環(huán)帶寬將達(dá)到100 MHz數(shù)量級(jí)。而且，可以用R₂設(shè)定帶寬，然后用R₁設(shè)定低頻增益。這樣可以在獨(dú)立于帶寬下控制增益，這在實(shí)用中是非常方便的，大大優(yōu)于使用VFA時(shí)需要考慮增益帶寬積為常數(shù)^[3]的情況。

    在實(shí)際運(yùn)算電路中，即使輸入信號(hào)為零，輸出并不為零，即電路產(chǎn)生失調(diào)誤差，包括由輸入失調(diào)電流I_OS所引起的輸出直流噪聲，以及輸入失調(diào)電壓V_OS所產(chǎn)生的誤差等，均對(duì)電路產(chǎn)生影響。與電壓反饋運(yùn)放不同，電流反饋運(yùn)放的輸出失調(diào)電壓超過(guò)200 mV，如此大的失調(diào)電壓有可能淹沒(méi)有用信號(hào),必須進(jìn)行調(diào)零補(bǔ)償。本文選用的電流反饋運(yùn)放OPA603沒(méi)有內(nèi)部調(diào)零電路，只能進(jìn)行外部調(diào)零。加入調(diào)零電路后的反相比例運(yùn)算電路如圖2所示，圖中R₃是調(diào)零電路。其工作原理是基于將可調(diào)的電壓和電流加入到電路中，以補(bǔ)償電路的失調(diào)誤差。這種方法的優(yōu)勢(shì)是在輸入級(jí)不會(huì)引起任何額外失衡，因此不會(huì)使漂移、CMRR或PSRR性能下降。具體電路為由供電電壓作為基準(zhǔn)源，并通過(guò)滑動(dòng)變阻器產(chǎn)生的可調(diào)電壓V_X，去抵消輸入的總失調(diào)誤差E_I，實(shí)現(xiàn)調(diào)零。

    表1給出了通用運(yùn)算放大器OPA603組成的反相放大器電路的仿真數(shù)據(jù),與理論計(jì)算結(jié)果完全吻合。利用multisim軟件仿真，給出了通用運(yùn)算放大器OPA603組成的反相放大器電路的頻響曲線如圖3。由頻響曲線可知，CFA反相放大器的上限截止頻率超過(guò)100 MHz。如果要獲得更寬的頻帶，可以選用上限截止頻率更高的電流反饋型運(yùn)放。

2 同相放大器

    同相放大器的設(shè)計(jì)方法與反相放大器的設(shè)計(jì)方法基本相同，其設(shè)計(jì)基本原則依然是輸入電壓約束條件和輸入電流約束條件。由電流反饋型運(yùn)放OPA603構(gòu)成的同相放大器電路如圖4所示。圖中R₃及R₄為調(diào)零電路。利用理想運(yùn)放輸入電壓約束條件和輸入電流約束條件可得直流增益為：

    r_n為輸入緩沖器的非零輸出電阻，則反饋因子為：

    式(6)中的f_t是運(yùn)算放大器閉環(huán)帶寬，其值是100 kHz數(shù)量級(jí)。圖5給出了通用運(yùn)算放大器OPA603組成的同相放大器電路的頻率特性曲線（軟件仿真結(jié)果）。

    由頻響曲線可見(jiàn)，CFA同相放大器的上限截止頻率達(dá)到了100 MHz以上，其帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)VFA組成的同相放大器的帶寬。在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，具有更廣泛的應(yīng)用范圍。表2給出了通用運(yùn)算放大器OPA603組成的同相放大器電路的仿真數(shù)據(jù)，與理論分析一致。

3 積分運(yùn)算電路

    在積分電路中，因?yàn)殡娍乖a(chǎn)生的反饋相位滯后會(huì)引起電路不穩(wěn)定。CFA受電抗元件產(chǎn)生的反饋相位滯后影響比VFA更大，因此在CFA電路中必須避免采用直接電容反饋，以免電路自激振蕩。實(shí)際應(yīng)用中必須采取一定措施，以保證電路穩(wěn)定工作。本文分別給出兩種可行的設(shè)計(jì)方案，下文將分別闡述設(shè)計(jì)原理以及仿真結(jié)果。

    第一種設(shè)計(jì)方案是在豪蘭德（Howland）電流泵的基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的改進(jìn)而成^[4]，如圖6所示。由輸入電壓約束條件和輸入電流約束條件，得到運(yùn)放反相端n的電流方程為：

    由式(12)可見(jiàn)，電路實(shí)現(xiàn)同相積分功能。圖7給出了該積分運(yùn)算電路的工作波形(軟件仿真結(jié)果)。

    由圖可見(jiàn)，用CFA設(shè)計(jì)的同相積分電路很好地完成了方波到三角波的波形轉(zhuǎn)換功能。當(dāng)然，積分器的非線性失真、漂移、調(diào)零等問(wèn)題的解決方法與傳統(tǒng)方法是相似的^[5]。

    另一種設(shè)計(jì)方案是對(duì)反相積分器^[6]進(jìn)行改造。為了抵消直通電容產(chǎn)生的反饋相位滯后對(duì)電路造成的影響，采用的具體改進(jìn)措施是在求和節(jié)點(diǎn)和反相輸入端加一個(gè)電阻，破壞電路的自激條件。

    設(shè)計(jì)積分電路，首先要確定時(shí)間常數(shù)。時(shí)間常數(shù)的大小決定了積分速度的快慢，由于運(yùn)算放大器的最大輸入電壓U_omax為有限值，所以如果時(shí)間常數(shù)太小，則還未達(dá)到預(yù)定的積分時(shí)間t之前，運(yùn)放已經(jīng)飽和，輸出波形將會(huì)失真。所以應(yīng)滿足式(13)：

4 結(jié)論

    （1）用CFA設(shè)計(jì)運(yùn)算電路的方法與設(shè)計(jì)運(yùn)算電路的傳統(tǒng)方法相同，輸入端的電壓約束條件和電流約束條件是設(shè)計(jì)運(yùn)算電路的基本準(zhǔn)則。應(yīng)用上述方法還可以組成求和電路、加減運(yùn)算電路、差分放大器、I-V轉(zhuǎn)換器等電路拓?fù)?，本文不再贅述?/p>

    （2）CFA組成的運(yùn)算電路有較大的失調(diào)電壓，需要精確調(diào)零。

    （3）CFA是電流模電路，受更少雜散電容的影響，在制造CFA的過(guò)程中采用了高速互補(bǔ)雙極工藝，因此CFA比VFA的工作速度快幾個(gè)數(shù)量級(jí)。CFA不受增益帶寬積的限制，CFA運(yùn)算電路具有更大的帶寬和極高的轉(zhuǎn)換速率（SR）。

參考文獻(xiàn)

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作者信息：

豐  豪，王雅潔，趙柏樹(shù)

（湖北大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，湖北 武漢430062）