【導(dǎo)讀】電流反饋放大器（CFA）在大約三十年前就開始流行了，當(dāng)時Comlinear、Elantec和ADI公司已能提供集成電路形式的產(chǎn)品。自那以后，大量專業(yè)技術(shù)被開發(fā)出來，電流反饋放大器在無數(shù)系統(tǒng)中得到應(yīng)用。然而，至今仍有人對電流反饋放大器抱有誤解。本設(shè)計實例將使用PSpice仿真方法來消除常見的誤解，支持被廣泛接受的電流反饋放大器知識。
首先，是一些潛在用戶習(xí)慣于傳統(tǒng)運放的兩個輸入端呈現(xiàn)高阻抗，對輸入端采用低輸出阻抗緩沖器的放大器感到不適應(yīng)。還有些人仍然在質(zhì)疑“電流反饋”這個字眼的正確性。一些自稱為先知者的人不顧三十年來無數(shù)成功的應(yīng)用事實，總是試圖推翻數(shù)十年來已被廣泛接受的結(jié)果。本文將嘗試使用PSpice仿真方法來消除常見的誤解，以支持三十年來被廣泛接受的電流反饋放大器知識。
電流反饋放大器的基本工作原理
我在早前的博客中介紹過電流反饋放大器，在那篇文章中我展示了如何用基本電路模塊構(gòu)建電流反饋放大器。圖1再次顯示了這個電路，其中包括：
（a）一個具有高輸入阻抗和低輸出阻抗的輸入電壓緩沖器（Q1到Q4）； （b）一對電流反射鏡（Q5到Q7，Q8到Q10）； （c）一個輸出電壓緩沖器（Q11到Q14）。
在圖2a所示的功能框圖中，電流反饋放大器通過外部電阻RG和RF被配置為負(fù)反饋工作的同相放大器。（為了更加簡單，威爾遜反射鏡被當(dāng)做基本反射鏡，緩沖器被當(dāng)做具有無限大輸入阻抗和零輸出阻抗的單位增益電壓放大器）。增益節(jié)點是理解電流反饋放大器工作原理的關(guān)鍵，它的等效對地阻抗采用一個大電阻Req(105～106W)并聯(lián)一個小電容Ceq(約1pF)進(jìn)行建模。
圖1：簡化后的電流反饋放大器（CFA）電路圖。
圖2（a）：電流反饋放大器的功能圖；（b）：其常用的電路符號。
在沒有外部網(wǎng)絡(luò)的條件下，圖1中被Q1和Q2抽取的電流是相等的，即I1=I2。當(dāng)存在如圖2a所示的外部網(wǎng)絡(luò)時，通過KCL可以得出I1=I2+In。電流反射鏡在增益節(jié)點復(fù)制I1和I2，因此進(jìn)入這個節(jié)點的凈電流就是圖中所示的In。增益節(jié)點對In進(jìn)行響應(yīng)，會產(chǎn)生電壓z(jf)In，其中z(jf)=Req||(2πjfCeq)-1。該電壓隨即被緩沖到輸出端，產(chǎn)生：
表明我們可以將電流反饋放大器簡化為圖2b。在Vn節(jié)點應(yīng)用KCL可以得到：
令Vn=Vp=Vi，將In代入公式（1），然后進(jìn)行歸集，就能巧妙地表達(dá)閉環(huán)增益A：
其中：
是環(huán)路增益，而：
是理想極限T→∞時的A值。順便提一下，Aideal也叫噪聲增益。
圖3：發(fā)現(xiàn)源zIn的返回系數(shù)。
讓我們通過返回系數(shù)分析來研究T的物理意義。如圖3所示，為了應(yīng)用這種技術(shù)，需要：
（a）將信號輸入接地，使得電路處于休眠狀態(tài)； （b）在從屬源的輸出端斷開環(huán)路； （c）將測試信號Vf注入反饋網(wǎng)絡(luò)； （d）找到被從屬源返回的信號Vr，然后令：
由于輸入緩沖器保持Vn=0，RG不抽取電流，因此一定有In=(0–Vf)/RF=–(1/RF)Vf，表明從Vf回來的僅是電流，而非電壓。因此將這種反饋稱為電流反饋是合情合理的。通過檢查發(fā)現(xiàn)，Vr=zIn=z[–(1/RF)Vf]，因此應(yīng)用公式（5）得到公式（3）?，F(xiàn)在可以作出以下考慮：
• 基本的電流反饋放大器是一種互阻抗型放大器，它根據(jù)對電流In的響應(yīng)產(chǎn)生電壓Vo，其開環(huán)增益為：
單位為V/A。在負(fù)反饋工作時，In是誤差信號。該電流源自I1和I2之間的失衡，與這種失衡是如何產(chǎn)生的無關(guān)。
• 令I(lǐng)f代表In從輸出端反饋回來那部分電流，表達(dá)式為If=–βVo，那么就有：
其中β被稱為反饋系數(shù)，單位是A/V。很明顯，T=aβ。也就是說，由于Vo使信號圍繞反饋環(huán)路傳輸，首先被RF相除產(chǎn)生電流，然后與z(jf)相乘再產(chǎn)生電壓。這就是環(huán)路增益的由來。
• 在直流時，Ceq當(dāng)作開路，環(huán)路增益值為：
這個值一般很大，因為在精心設(shè)計的電流反饋放大器應(yīng)用中，RF<< Req。
• 隨著頻率的提高，Ceq開始起作用，造成|z(jf)|隨著頻率發(fā)生滾降，直到達(dá)到頻率點ft，在該頻率點|z(jft)|=RF，或者忽略Req，(2πftCeq)-1=RF。求解ft得到：
換句話說，ft是|T(jf)|下降到單位1或0dB時的頻率。因此根據(jù)公式（2），ft代表閉環(huán)增益的-3dB頻率，也稱為閉環(huán)帶寬。
• 在應(yīng)用電流反饋放大器時，我們可以用RF來建立想要的閉環(huán)帶寬，用RG來建立想要的獨立于帶寬的閉環(huán)直流增益。與傳統(tǒng)運放相比，這是電流反饋放大器的一個獨特優(yōu)勢。
為了研究其瞬態(tài)行為，可以將電流反饋放大器看作一個純粹的R-C網(wǎng)絡(luò)（R=RF,C=Ceq），其中的電阻電流(Vi–Vo)/RF不是“直接”通過RF本身傳輸?shù)紺eq，而是通過電流反射鏡“間接地”完成。只要與時間常數(shù)：
相比通過反射鏡的延時可以忽略，那么對輸入階躍的響應(yīng)將是受τ支配的指數(shù)瞬變，不存在擺率限制，這是電流反饋放大器的另一個獨特優(yōu)勢。當(dāng)RF約為103Ω、Ceq約為10–12F時，τ將處于納秒范圍內(nèi)，表明非?？斓膭討B(tài)變化。
我們發(fā)現(xiàn)，除了增益節(jié)點外，電流反饋放大器中的每個節(jié)點都呈現(xiàn)出低的電阻(約為1/gm)，因此以其自己的雜散電容形成的極點和與增益節(jié)點相關(guān)的極點相比發(fā)生在高得多的頻率點；只要滿足條件RF >> 1/gm。電流反饋放大器的數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定了RF的最佳值。根據(jù)公式（7b），增加RF將直接減小閉環(huán)帶寬。然而，RF減小到推薦值以下會使增益節(jié)點的極點更加靠近其它高頻極點，從而減小相位余量，降低電路的穩(wěn)定性。尤其要注意，當(dāng)我們用傳統(tǒng)運放實現(xiàn)積分器時，在電流反饋放大器的反饋路徑中放入電容可是個壞主意。由于電容的阻抗隨頻率增加而減小，進(jìn)而降低電路的穩(wěn)定度，因此必須使用其它類型積分器，比如Deboo積分器。
示例
我們希望使用圖4所示的PSpice電路來驗證上述論點。該電路基于一種假想的電流反饋放大器，這種放大器被配置為增益為10的同相放大器。當(dāng)我們斷開實際電路中的環(huán)路時，必須避免破壞它的直流偏置條件。如果將測試電壓直接串在輸出節(jié)點和反饋網(wǎng)絡(luò)之間就能巧妙地滿足這個約束條件，如圖所示。我們先驗證電路的開環(huán)互阻抗增益z(jf)、反饋系數(shù)β(jf)和環(huán)路增益T(jf)。為了使T(jf)可視化，我們可以繪制–V(R)/V(F)曲線；為了使|z|可視化，我們可以繪制V(R)/I(Vsense)曲線。如果采用1/β（而不是β） ，就可以將1/|β|和|z|顯示在一張圖中，然后清晰地看出|T|是兩張圖的對數(shù)差。我們可以通過繪制|z/T|或–V(F)/I(Vsense)來查看|1/β|。
圖4：示例的測試電路。
圖5：根據(jù)圖4所示電路得到的曲線圖：T0=400，ft=100MHz。
參考圖5，我們使用光標(biāo)測量方法證實直流跨導(dǎo)增益等于Req(500k V/A)，|1/β|等于RF(1.25k V/A)，因此直流環(huán)路增益是T0=500/1.25=400，這與光標(biāo)測量結(jié)果是一致的。|z|和|1/β|曲線在100MHz點相交，這個點也是|T|下降到單位1的頻率。這個頻率與通過公式（7b）計算得到的ft是一致的。
下面使用圖6所示的電路來驗證針對單位交流電壓的閉環(huán)響應(yīng)，并且（在用單位電壓步距代替輸入源之后）驗證瞬態(tài)響應(yīng)。響應(yīng)結(jié)果如圖7所示。光標(biāo)測量表明，交流響應(yīng)峰值在9.975V（而不是理想的10.0V）。這與公式（2）預(yù)測的約–1/T0(=–1/400或–0.25%)的誤差一致。此外，交流響應(yīng)在ft(=100MHz)時下降到一半的功率值。
將上述誤差以物理的方式顯示出來是一件有意思的事：為了維持Vo=9.975V，反射鏡必須給Req提供9.975/(500x103≅20µA的電流。通過反射鏡動作，這個電流必須與In相符，表明圖2a所示的由RF抽取的電流和由RG抽取的電流之間存在20uA的失衡。具體地說，RF抽取的電流要比RG小20uA，因此當(dāng)RG下降1.0V時，RF將下降9.0-1.25x103x20x10-6=9.0-0.025V=8.975V。最終KVL確認(rèn)Vo=1.0+8.975=9.975V或-25mV的誤差。
圖6：研究閉環(huán)交流響應(yīng)。
圖7：圖6電路對單位交流和單位階躍輸入的交流和瞬態(tài)響應(yīng)。
另一種觀點？
有人可能仍然不喜歡電流反饋放大器輸入端之間的緩沖器，甚至認(rèn)為電流反饋這個名稱不夠好。如果能夠使用輸入端之間呈現(xiàn)很高阻抗的電流反饋放大器模型是最好的，這樣我們就能以大家熟悉的分壓型運放電路來表達(dá)反饋系數(shù)。
要讓這種替代模型起作用，需要以這樣的方式來控制開環(huán)增益：確保替代模型維持與公式（3）相同的環(huán)路增益。我們可以通過下列表達(dá)式達(dá)到這個目的：
其中β與公式（8a）中的相同，開環(huán)增益現(xiàn)在就是電壓增益：
圖8：嘗試采用具有以下開環(huán)增益的電壓反饋放大器（VFA）建立電流反饋放大器模型 a=z/(RG||RF)。
這就是圖8所示的替代電流反饋放大器模型，是串聯(lián)-并聯(lián)反饋的經(jīng)典例子。事實上，我們本來也可以通過雙端口分析開發(fā)這種模型，方法是將整個電路分解為兩個虛構(gòu)的子電路，一個是β=1/Aideal的反饋網(wǎng)絡(luò)，一個是基本放大器，但需要做一些修改，將反饋網(wǎng)絡(luò)的加載因素考慮進(jìn)去。參考圖2a，我們將基本電路視為使用輸入緩沖執(zhí)行類型Ix=–Vx/(RG||RF)的V-I轉(zhuǎn)換，使用反射鏡執(zhí)行電流極性反轉(zhuǎn)Iy=–Ix，最終使用增益節(jié)點執(zhí)行類型Vy=zIy的I-V轉(zhuǎn)換，進(jìn)而獲得公式（8b）中的整體增益a=Vy/Vx。
鑒于環(huán)路增益T等于圖2b的增益，因此沒必要為了這個電壓反饋放大器電路重復(fù)PSpice仿真，因為它會產(chǎn)生與電流反饋放大器相同的輸出圖形。舉例來說，在直流輸入Vi=1.0V時，兩種電路都會產(chǎn)生Vo=9.975V的直流輸出，見圖7。但內(nèi)部電路是怎么工作的？下面的比較揭露了真相：
• 我們已經(jīng)知道，當(dāng)Vi=1.0V時，圖6所示的電流反饋放大器電路需要20μA的輸入誤差電流才能維持Vo=9.975V。結(jié)果，RG抽取1.0/138.89=7.200mA，而RF抽取7.200–0.0020=7.180mA。
• 我們立馬注意到，在圖8所示的電壓反饋放大器電路中，RG和RF抽取相同的電流9.975/(138.89+1250)=7.182mA，因此電壓反饋放大器模型不能如實代表實際的電流反饋放大器！另外，根據(jù)公式（8b），電壓反饋放大器的開環(huán)直流增益a0=500x103/(138.89||1.25x103)=4000V/V，反饋系數(shù)β=0.1，因此為了維持Vo=9.975V，電壓反饋放大器需要的輸入誤差電壓Vd=9.975/4000≅2.5mV。2.5mV從哪兒來？通過檢查，我們發(fā)現(xiàn)Vd=Vi–Vn=1.0–0.1x9.975=2.5mV。同樣，電壓反饋放大器電路無法匹配由電流反饋放大器的輸入緩沖器建立的條件Vn=Vi！
為什么內(nèi)部電壓和電流存在差異呢？因為負(fù)反饋系統(tǒng)的雙端口描述是不精確的，只是近似，雖然這通常很好，而且在許多情況下甚至很精確，但如果我們在實驗室建立電流反饋放大器電路，并且測量其反饋網(wǎng)絡(luò)的實際電壓和電流，就會得到電流反饋放大器電路的數(shù)據(jù)，而不是電壓反饋放大器電路的數(shù)據(jù)！結(jié)果就是，使用（不精確的）電壓反饋放大器模型驗證（精確的）電流反饋放大器模型的無效性是錯誤的！電壓反饋放大器模型是一種抽象，可以方便環(huán)路增益T的手工計算，但無法精確地反映電流反饋放大器的實際物理工作。
輸入緩沖器的輸出電阻效應(yīng)
上述分析是假設(shè)使用理想的緩沖器，但實際上緩沖器具有一定的局限性。影響電流反饋放大器工作最主要的因素是輸入緩沖器的非零輸出阻抗，這個阻抗我們在圖9a中用電阻rn進(jìn)行了建模。下面將通過rn進(jìn)行擴(kuò)展分析，記住，新的結(jié)果必須在rn→0時匹配上述結(jié)果。（實際上rn不必達(dá)到0，它只需小到產(chǎn)生的效應(yīng)可以忽略即可。）
我們發(fā)現(xiàn)，rn的存在并不影響z，因此只需要研究反饋系數(shù)β，方法是將輸入接地(Vi=0)，在電流反饋放大器的輸出端斷開環(huán)路，將外部測試電壓Vo注入反饋網(wǎng)絡(luò)，找出反饋電流If，然后讓If=–βVo。從圖9b可以看到，當(dāng)rn→0時，RF抽取的所有電流都將來自輸入緩沖器。但是當(dāng)n≠0時，RF的電流將在RG和rn之間分流，If值將下降，造成β值減小。
圖9：用于研究輸入緩沖器輸出電阻rn影響的電路。
為了找出If，我們綜合一下Vo-RG-RF網(wǎng)絡(luò)，然后讓If=(0–VTh)/(rn+RTh)，其中RTh=RG||RF，VTh=VoRG/(RG+RF)。通過代入和歸集后得到：
表明在圖5a所示的圖形中，rn≠0將導(dǎo)致1/|β|曲線上升，而直流增益T0和交叉頻率ft都下降，變成：
同樣，時間常數(shù)增加到：
（順便提一下，如果繼續(xù)使用“不精確的”電壓反饋放大器模型，rn≠0會將輸入緩沖器的V-I轉(zhuǎn)換改變?yōu)镮x=–Vx/(rn+RG||RF)，進(jìn)而使|a|曲線向下，同時1/|β|曲線保持不變，最終維持與電流反饋放大器模型相同的T。）
圖10顯示了rn=25Ω對我們所討論的電路的影響。正如預(yù)期的那樣，|z|曲線保持不變，而1/|β|曲線向上轉(zhuǎn)移，從1250V/A到1250+25x10=1500V/A。因此現(xiàn)在T0=500/1.5=333.3,ft=83.33MHz,τ=1.91ns。當(dāng)直流輸入為1.0V時，根據(jù)公式（2），直流輸出變成10/(1+1/333.3)=9.970V。所有這些數(shù)據(jù)都得到了PSpice光標(biāo)測量的確認(rèn)。
rn的一個不良影響是使閉環(huán)帶寬一定程度上依賴于噪聲增益1+RF/RG，見公式（9a）。因此如果將例子中的電流反饋放大器配置為電壓跟隨器(RG=∞)，可以得到ft=1/(2πx1275x1.2732x10–12)≅98MHz，但如果把它配置為增益10，其帶寬將下降到接近83MHz。這個數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)運放相比還是很有優(yōu)勢的，因為后者的噪聲增益增加到10倍將導(dǎo)致帶寬減小至十分之一，從100MHz減小到10MHz。為了達(dá)到帶寬獨立于噪聲增益的理想條件，電流反饋放大器的集成電路設(shè)計師需要努力讓rn盡可能小。事實上，一些電流反饋放大器在輸入緩沖器周邊使用局部反饋來將rn減小到只有幾個歐姆。
圖10：使用PSpice研究rn的影響。
電流反饋還是電壓反饋？
有人可能會說，只要rn≠0，輸入引腳之間就會出現(xiàn)電壓下降Vp–Vn=rnIn。這意味著反饋從電流類型變成電壓類型了嗎？如果是這樣，rn該選什么值？1Ω，1mΩ?，或是1fΩ?為了解決這個問題，可以在Vn節(jié)點處應(yīng)用R.D.Middlebrook的雙注入技術(shù)，這個節(jié)點也稱為反饋環(huán)節(jié)中的求和節(jié)點。這種技術(shù)要求，在將電路置于休眠狀態(tài)之后，在同一節(jié)點注入兩個單獨的激勵，分別稱為串聯(lián)測試電壓和并聯(lián)測試電流。每個測試信號都將導(dǎo)致前向干擾（分別是Vf和If），同時伴隨著來自相反方向的干擾返回（Vr和Ir）。如果我們定義：
環(huán)路增益T就變成：
將公式（10）代入公式（11a），經(jīng)歸集后求解T得到：
圖11a顯示了本例要求的測試電路。圖11b表明，T的構(gòu)成中確實包含了電流和電壓分量，但主要是電流分量，因為與Tv相比，T更接近于Ti。因此，在rn≠0的條件下精心設(shè)計的電流反饋放大器在其求和節(jié)點主要呈現(xiàn)電壓反饋（更不用說完全呈電壓反饋了）的說法顯然是錯誤的。在我們的例子中，光標(biāo)測量給出的直流值是Ti0≅400,Tv0≅2000,T0=333.3，完全滿足公式（11a）。再次運行相同的電路，但將rn從25Ω降低到0.025Ω以仿真趨于理想的輸入緩沖器，可以得到Tv0≅2x106，T0≅Ti0=333.33，這種情形幾乎完全是電流反饋。事實上，由于1/(1+2x106)+1/(1+333)≅1/(1+333)，在這種情況下我們可以跳過電壓注入測試，只進(jìn)行電流注入測試來節(jié)省時間和工作量。
圖11：使用PSpice研究求和節(jié)點處的反饋類型（這種仿真已由Walt Jung獨立完成驗證）。
如果我們現(xiàn)在對圖8所示的另一種模型進(jìn)行電流注入測試，仍然會得到相同的Ti嗎？考慮到這種模型具有無限大輸入阻抗，If→0，因此Ir→Itest，Ti→∞，這很難說是一個真的電流反饋放大器?。ㄊ聦嵣希瑘D8的電路要求電壓類型注入才能獲得正確的T，從而確認(rèn)其電壓反饋放大器之名。）總之，電流反饋放大器不是電壓反饋放大器——電流反饋放大器就只是電流反饋放大器！
我們想知道反饋路徑上某給定點的電流和電壓反饋組成是由什么決定的。答案是，Ti和Tv滿足條件：
其中的Zf和Zr分別是從信號注入點正向和反向看過去的阻抗。舉例來說，在圖11a所示的電路中，Zf=rn=25Ω，Zr=RG||RF=125Ω，這就確認(rèn)了在直流時(1+400)/(1+2000)≅25/125。顯然，對rn=RG||RF(本例中為125Ω)來說，求和節(jié)點處的電流和電壓反饋剛好是50對50（通過設(shè)定Ti=Tv=400，PSpice可以確認(rèn)這點）。
但電流反饋放大器電路在設(shè)計時要很好地充分滿足條件rn << RG||RF，確保電流類型反饋占據(jù)主導(dǎo)。如前所述，一些電流反饋放大器使用輸入緩沖器周邊的局部反饋取得真正小的rn值。
結(jié)論
在精心設(shè)計的電流反饋放大器應(yīng)用中，電流反饋名符其實，它顯示了反饋給求和節(jié)點的信號的主要性質(zhì)，暗示了內(nèi)部電路（增益節(jié)點除外）以固有的快速電流模式工作。
使用雙端口技術(shù)將電流反饋放大器改為串-并聯(lián)配置是替代人工計算環(huán)路增益T的一種流行方法，但它不能解決其它重要問題，比如正確呈現(xiàn)真實的反饋類型。（如果也考慮輸出緩沖器的非零輸出阻抗，那么電流反饋放大器將呈現(xiàn)從輸入經(jīng)過反饋網(wǎng)絡(luò)和增益節(jié)點到輸出的直通情況；雙端口分析沒有考慮到這種情況，而返回系數(shù)分析提供了準(zhǔn)確的結(jié)果。）
本文轉(zhuǎn)載自電子技術(shù)設(shè)計。
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