Операционный усилитель с токовой обратной связью

Операционный усилитель с обратной связью по току ( CFOA или CFA ) — это тип электронного усилителя , инвертирующий вход которого чувствителен к току , а не к напряжению , как в обычном операционном усилителе с обратной связью по напряжению (VFA). CFA был изобретен Дэвидом Нельсоном из Comlinear Corporation и впервые продан в 1982 году как гибридный усилитель CLC103. Ранним патентом, охватывающим CFA, является патент США № 4 502 020 , выданный Дэвидом Нельсоном и Кеннетом Саллером (поданный в 1983 году). Интегральные схемы CFA были представлены в 1987 году компаниями Comlinear и Elantec (дизайнер Билл Гросс). Обычно они производятся с тем же расположением контактов, что и VFA, что позволяет заменять два типа без перемонтажа проводов, если это позволяет конструкция схемы. В простых конфигурациях, таких как линейные усилители, вместо VFA можно использовать CFA без каких-либо модификаций схемы, но в других случаях, например, в интеграторах, требуется другая схема. Классическая конфигурация дифференциального усилителя с четырьмя резисторами также работает с CFA, но коэффициент подавления синфазного сигнала хуже, чем у VFA.

Операция

На показанной схеме секция, отмеченная красным, образует входной каскад и усилитель ошибки. Инвертирующий вход (узел, где подключены эмиттеры Q1 и Q2) имеет низкий импеданс и, следовательно, чувствителен к изменениям тока. Резисторы R1–R4 создают условия покоя и выбираются так, чтобы токи коллектора Q1 и Q2 были одинаковыми. В большинстве конструкций вместо пассивного резистивного смещения используется схема активного смещения, а неинвертирующий вход также можно модифицировать, чтобы он стал низкоимпедансным, как и инвертирующий вход, чтобы минимизировать смещения.

При отсутствии сигнала из-за токовых зеркал 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 ток не потечет (т. е. на входе буфера не будет напряжения). На практике из-за несоответствия устройств токи коллектора неравны, что приводит к тому, что разница поступает на вход буфера и смещается на его выходе. Это исправляется путем регулировки входного смещения или добавления 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. C _s — это стабилизирующий конденсатор, обеспечивающий стабильность схемы при любых условиях эксплуатации. Из-за широкой полосы пропускания CFA в разомкнутом контуре существует высокий риск возникновения колебаний в схеме. C _s обеспечивает подавление частот, на которых могут возникнуть колебания, особенно при работе с низким коэффициентом усиления с обратной связью.

Выходной каскад (пурпурный цвет) представляет собой буфер, обеспечивающий усиление тока. Его коэффициент усиления по напряжению равен единице (+1 на схеме).

Сравнение усилителей с обратной связью по напряжению

В полосе пропускания VFA с внутренней компенсацией доминирует внутренний компенсационный конденсатор доминирующего полюса, что приводит к постоянному ограничению усиления/полосы пропускания. CFA также имеют конденсатор компенсации доминирующего полюса, но из-за использования обратной связи по току вместо обратной связи по напряжению результирующий отклик разомкнутого контура отличается. Стабильность VFA зависит от соотношения усиления разомкнутого контура к усилению обратной связи; Стабильность CFA зависит от отношения трансимпеданса разомкнутого контура к сопротивлению обратной связи. VFA имеют зависимость усиления/полосы пропускания; CFA имеют зависимость сопротивления трансимпеданса/обратной связи.

В VFA динамические характеристики ограничены произведением коэффициента усиления на полосу пропускания и скоростью нарастания сигнала. В CFA используется топология схемы, в которой особое внимание уделяется работе в режиме тока, что по своей сути намного быстрее, чем работа в режиме напряжения, поскольку менее подвержено 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 компенсируются стабильностью при единичном коэффициенте усиления. Декомпенсированные ЛЖК могут быть такими же быстрыми, как и КФА. При использовании CFA коэффициент усиления усилителя можно контролировать независимо от полосы пропускания. В этом заключаются основные преимущества CFA перед традиционными топологиями VFA. ^[1]

К недостаткам CFA относятся худшие характеристики входного напряжения смещения и входного тока смещения. Кроме того, коэффициент усиления контура постоянного тока обычно меньше примерно на три десятичных порядка. CFA имеют гораздо более высокий шум инвертирующего входного тока. В схемах CFA необходимо использовать определенное значение сопротивления обратной связи для достижения максимальной производительности. Более низкое значение сопротивления обратной связи может привести к колебаниям усилителя. Схемы CFA никогда не должны включать прямую емкость между выходным и инвертирующим входными контактами, поскольку это часто приводит к колебаниям. CFA идеально подходят для высокоскоростных приложений с умеренными требованиями к точности. ^[2]

Разработка более быстрых VFA продолжается, и на момент написания этой статьи VFA доступны с продуктами с усилением полосы пропускания в низком диапазоне УВЧ. Тем не менее, CFA доступны с усилением полосы пропускания более чем на октаву выше, чем у их собратьев VFA, а также способны работать в качестве усилителей, очень близких к своим продуктам с полосой усиления.

См. также

Операционный усилитель с токовой обратной связью представляет собой тип источника напряжения с управлением по току (CCVS).

Трансимпедансный усилитель , идеальный источник напряжения с управляемым током (CCVS)
Усилитель Norton , источник напряжения с управляемым током (CCVS) с входом дифференциального тока
Операционные усилители и инструментальные усилители , источники напряжения, управляемые напряжением (VCVS)
Операционный усилитель крутизны , источники тока, управляемые напряжением (УТКУ) с дифференциальным входом напряжения.

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», профессор Ахмед М. Солиман https://www.researchgate.net/publication/227165604_Applications_of_the_Current_Feedback_Operational_Amplifiers
«Реализация класса аналоговых схем обработки/генерации сигналов: новые конфигурации с использованием операционных усилителей с обратной связью по току», профессор Радж Сенани, Frequenz: Journal of Telecommunication (Германия), том. 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 его приложения», Ф. Дж. Лиджи и Халед Хаятле, журнал 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

Ссылки

^ Франко, Серджио (2002). Проектирование с использованием операционных усилителей и аналоговых интегральных схем . МакГроу-Хилл. п. 293. ИСБН 0-07-232084-2 .
^ Франко, Серджио (2002). Проектирование с использованием операционных усилителей и аналоговых интегральных схем . МакГроу-Хилл. п. 299. ИСБН 0-07-232084-2 .

«Усилители с токовой обратной связью» , Эрик Барнс из Analog Devices Inc.
«Руководство по проектированию операционных усилителей для всех (ред. B)» Рона Манчини из Texas Instruments Inc.

[1] Франко, Серджио (2002). Проектирование с использованием операционных усилителей и аналоговых интегральных схем . МакГроу-Хилл. п. 293. ИСБН 0-07-232084-2 .

[2] Франко, Серджио (2002). Проектирование с использованием операционных усилителей и аналоговых интегральных схем . МакГроу-Хилл. п. 299. ИСБН 0-07-232084-2 .

[1]

[2]