第 13 章：跨阻（Transresistance）前端
我们在第 12 章中研究的双极型或 FET 形式的差分对是最常用的输入级，通常被称为电压反馈放大器 (VFB)。它们的特点是在反相和同相输入端都具有相对较高的输入阻抗。存在第二种替代类型的输入结构，其特征在于在反相输入端具有相对较低的输入阻抗，而在非反相输入端具有较高的输入阻抗。这些放大器通常被称为跨阻放大器或跨阻放大器，因为它们本质上是电流到电压转换器（如电阻器或阻抗）。这种低阻抗电流输入级导致电流反馈放大器 (CFB)。
13.1 电流反馈放大器基础知识
基本的电流反馈放大器拓扑如图 13.1 所示。请注意，在模型内，单位增益缓冲器将同相输入连接到反相输入。在理想情况下，该缓冲器的输出阻抗为零（R O = 0），误差信号是流入反相输入端的小电流 i。误差电流 i 被镜像成一个高阻抗 T(s)，T(s) 两端的电压等于 T(s)·i。（数量 T(s) 通常称为开环跨阻增益。）
图 13.1 电流反馈 (CFB) 运算放大器拓扑
假设 R 0 « R 1和 R 1 ⇐ R 2那么：
在这一点上我们要提醒的是，电流反馈运算放大器通常称为跨阻运算放大器，因为开环传递函数实际上是如上所述的阻抗。然而，术语跨阻放大器通常更正确地应用于更通用的电路，例如电流到电压 (I/ V ) 转换器，其中可以使用 CFB 或 VFB 运算放大器。因此，在给定情况下遇到术语跨阻时需要谨慎。另一方面，术语电流反馈运算放大器很少混淆，并且是提及此运算放大器拓扑时的首选术语。
从这个简单的模型中，可以推导出几个重要的 CFB 运算放大器特性。
• 与VFB 运算放大器不同，CFB 运算放大器没有平衡输入。相反，同相输入为高阻抗，反相输入为低阻抗。
• CFB 运算放大器的开环增益以 O（跨阻增益）为单位测量，而不是VFB 运算放大器的V / V。
• 对于固定值反馈电阻器 R 2，CFB 的闭环增益可以通过改变 R 1来改变，而不会显着影响闭环带宽。这可以通过检查图 13.1 中的简化方程看出。分母决定了整体频率响应；如果R 2是常数，则分子的R 1可以改变（从而改变增益）而不影响分母——因此带宽保持相对恒定。
CFB 拓扑主要用于需要最终高速和低失真的地方。基本概念基于这样一个事实，即在双极晶体管电路中，电流可以比电压更快地切换，所有其他条件都相同。
图 13.2 显示了早期 IC CFB 运算放大器示例的简化原理图，即 ADI 公司于 1988 年推出的 AD846。请注意，充分利用了互补双极 (CB) 工艺，该工艺提供了匹配良好的 PNP 和 NPN 晶体管。
图 13.2：电流反馈运算放大器（AD846 Cir. 1988）
晶体管Q 1 -Q 2缓冲同相输入（引脚3）并驱动反相输入（引脚2）。Q 5 -Q 6和Q 7 -Q 8充当驱动高阻抗节点的电流镜。C COMP电容器提供主要极点补偿；Q 9、Q 10、Q 11和Q 12构成输出缓冲器。为了充分利用 CFB 架构，通常需要高速互补双极 (CB) IC 工艺。使用现代 IC 工艺，这很容易实现，允许在放大器的信号路径中直接耦合。
13.2 CFB 和 VFB 运算放大器之间的差异
CFB 和 VFB 放大器之间的一个主要区别是 CFB 放大器没有恒定的增益带宽积。虽然带宽随增益的变化很小，但远小于我们在 VFB 运算放大器中看到的 6 dB /octave。如图 13.4 所示。如前所述，CFB 运算放大器的带宽与反馈电阻成正比。对于每个 CFB 运算放大器，都有一个反馈电阻的推荐值，以获得最大带宽。如果将电阻器的值增加到超过此值，则会降低带宽。如果使用低于此值的较低电阻值，相位裕度会降低，放大器可能会变得不稳定。
图 13.4 电流反馈放大器频率响应
通过为器件选择正确的反馈电阻器 (R 2 )，然后选择底部电阻器 (R 1 ) 以产生所需的闭环增益，可以在 CFB 运算放大器应用中控制增益。R 2和R 1的增益关系与VFB 运算放大器的情况相同。对于不同的操作条件，最佳反馈电阻可能会有所不同。例如，由于寄生电容的变化，不同封装类型的值会发生变化。图 13.5 显示了 AD8001 运算放大器对于 PDIP、SOIC 和 SOT-23 封装的各种增益的最佳反馈电阻。
图 13.5：AD8001 最佳反馈电阻与封装
此外，CFB 放大器在反馈回路中不应有电容器。如果在反馈环路中使用电容器，它会降低较高频率下的净反馈阻抗，这将导致运算放大器振荡。反相输入上的杂散电容会导致类似的影响，应通过蚀刻掉该端子周围的接地层来最小化。
使用电流反馈运算放大器的一个常见错误是将反相输入直接连接到输出，以尝试构建单位增益电压跟随器（缓冲器）。该电路会振荡，因为等效反馈电阻值为零。只需使用推荐的反馈电阻值将反相输入连接到输出，即可稳定跟随器电路。
VFB 和 CFB 放大器的另一个区别是 CFB 放大器的反相输入阻抗较低（通常为 50 Ω 至 100 Ω），而同相输入阻抗较高（通常为数百 kΩ）。因此，CFB 放大器的输入不平衡，就像 VFB 放大器一样。
CFB 拓扑还增强了压摆率性能。可用于对内部补偿电容器进行充电和放电的电流可按需提供。它不限于 VFB 拓扑中经常出现的固定值。对于阶跃输入，电流会增加（按需电流），直到反馈回路稳定。基本的电流反馈放大器没有基本的压摆率限制。限制仅来自寄生内部电容，并且已经采取了许多措施来减少它们的影响。
更高带宽和压摆率的结合使 CFB 设备具有良好的失真性能，同时以较低的功率实现。
放大器的失真受放大器的开环失真和闭环电路的环路增益的影响。由于内部拓扑结构的基本对称性，CFB 放大器造成的开环失真量很小。高带宽是导致低失真的另一个主要因素。在大多数配置中，CFB 放大器比 VFB 放大器具有更大的带宽。因此，在给定的信号频率下，较快的部分具有更大的环路增益，因此失真更低。但是，某些电压反馈结构（通常称为“四核”或“H 桥”）接近 CFB 的性能水平，并在采用类似工艺设计时提供“按需电流”。
部分摘要：电流反馈 (CFB) VS。电压反馈 (VFB)
电流反馈和电压反馈的应用优势不同。在许多应用中，CFB 和 VFB 之间的差异并不明显。今天的 CFB 和 VFB 放大器具有相当的性能，但每种拓扑都有一些独特的优势。电压反馈允许以牺牲带宽以获得增益为代价自由选择反馈电阻器（或网络）。电流反馈在很宽的增益范围内保持高带宽，但代价是限制了反馈阻抗的选择。
通常，VFB 放大器提供：
• 更低的噪声
• 更好的直流性能
• 反馈组件自由
而 CFB 放大器提供：
• 更快的转换速率
• 更低的失真
• 反馈组件限制
