电流型运算放大器在应用电路中的特性研究

陈路瑶，黄光明，马 丽，唐小峰，刘蕴婷，黄聿琛

（1．华中科技大学 光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074；2．华中师范大学 物理科学与技术学院 湖北 武汉 430079；3．北京大学深圳研究生院 信息工程学院 广东 深圳 518001；4．东北师范大学 物理学院 吉林 长春 130027；5．武汉大学 电气工程学院 湖北 武汉 430072）

运算放大器是多种模拟电路系统以及通信信号处理系统电路中常用的重要器件之一。按反馈类型可以将运算放大器分为电流反馈型运放（CFOA）和电压反馈型运放（VFOA）两种。

传统的运放均为电压型（VFOA），以电压作为输入和输出信号。当同相输入端和反相输入端有差值电压时，电路产生响应，逐级放大后，获得相应的输出电压。

电流型运算放大器（CFOA）以电流为输入信号，以电压为输出信号。当其同相输入端与反向输入端产生差值电流时，电路产生响应，逐级放大后，最终转换成电压输出。

文中所研究的运放为电流反馈型运放，由于具有更高的转换速度和带宽，适合应用于音频、视频、通讯设备以及高速网络中。

1 电流型运放的特性

1.1 增益带宽特性

以VFOA为标准部件的模拟网络在模拟信号处理电路中获得了广泛应用，但它存在着明显的缺点：VFOA构成的放大电路闭环增益与其-3 dB带宽的乘积是常数，当带宽向高频区域扩展时，增益成比例下降；在大信号下输出电压的最高转换速率很低，一般只有0．2～20 V/μS。这些固有缺点严重阻碍了VFOA在高速电路中的应用。新型电流型运放克服了这些缺陷。

图1为电流型运放构成反相比例放大电路的等效电路结构，由图及“虚短”、“虚断”可以推导，图所示的的增益表达式为：

图1 电流型运放构成同相比例放大电路Fig．1 Same phase ratio amplifier circuit consisted of CFOA

由公式（3）可知，对于给定的器件，可用R2调节带宽，用R2和R1控制闭环增益AVF，以实现二者的独立调节，或者在不同的增益下基本实现恒定带宽，这一点将与传统电压型运放的增益带宽积为常量的性能完全不同。

1.2 压摆率

典型电流型运放结构可以表示为图2所示，在该结构中，影响压摆率的是第二级两个晶体管对补偿电容CC和寄生电容的充电速度和电流大小。且有补偿电容和寄生电容越小，充电的电流越大，则压摆率越大。由于电流型运放中这两个晶体管的电流是动态提供的，电流值没有限制，在阶跃或过载条件下，随着晶体管电流的增加，过载条件迅速排出，因此电流型运放具有较高压摆率。由于具有优良的压摆率性能，电流型运放在大信号处理方面具有明显的优势，应用广泛。

图2 电流型运放的结构简化图Fig．2 Structure simplified diagram of CFOA

2 电流型运放在实际应用电路中的指标测试

2.1 负阻变换器

2.1.1 放大器实现负阻变换器

负阻现象指某些器件在某种条件下，当电流（或电压）增加时电压（或电流）反而减少的现象。可以用运算放大器构成负阻变换器（Negative Impedance Converter，NIC）实现负阻，如图3所示。

图3 运算放大器实现负阻器Fig．3 Negative impedance converter consists of operational amplifier

假设运算放大器是理想的，由于“虚短”和“虚断”，有：

由以上分析可知，“虚短”和“虚断”的成立是实现负阻变换的关键。要想相对于反馈电流忽略基极电流的影响，则应该使得反馈电流与基极电流之间存在如下关系：I˙3＞＞I˙+，I˙4＞＞I˙_。

2.1.2 电压型运放实现负阻变换器测试

采用典型电压型运放OPA227构造负阻变换器，测量电路中反馈电阻（以负反馈电阻R2为例）的线性范围。如图4所示，为电压型运放组成的负阻变换器的负载线性曲线。由图可知OPA227构成负阻变换器的负阻不宜太大或太小，一般范围是100Ω～5 kΩ。

图4 VFA构成负阻的负载特性曲线Fig．4 Load characteristic curve of the NICwhich consists of VFOA

2.1.3 电流型运放实现负阻变换器测试

由于电流型运算放大器具有较大的基极电流，而负阻器成立的条件是基极电流相对反馈电流可以忽略不计，因此理论上使用电流型运放构成负阻变换器，将会使得各负载电阻、比例系数、反馈电阻以及电源电压指标具有相对较小的线性范围。按照图7的电路形式利用AD8009构成负阻变换器，在尽量保证基极电流相对反馈电流可忽略的条件下，反馈电阻阻值应偏小。图5为AD8009构成负阻器的负载特性曲线。由图可明显看到，电流型运放构成的负阻变换器较电压型运放组成的负阻变 换器在精度、线性度以及负载线性范围等方面都有明显的不足，即典型电流型运放不适合做负阻器件。这一点主要与电流型运放具有较大反相基极电流有关。

图5 CFA构成负阻的负载特性曲线Fig．5 Load characteristic curve of the NIC which consists of VFOA

2.2 电压跟随器

在同相比例运算电路中，若将输出电压的全部反馈到反相输入端，就构成电压跟随器。电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路；当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响。因此，电压跟随器经常起缓冲、隔离、提高带载能力的作用。

2.2.1 电压型运放实现电压跟随器测试

对于电压型运算放大器而言，构成电压跟随器的电路如图6所示，直接将放大器输出端接到反相输入端，形成单位增益放大器。以电压型运放OPA227为例，构成电压跟随器，测量电路的频率特性，绘制输出频率响应图形如图7所示。

图6 VFOA构成电压跟随器电路Fig．6 Voltage followerwhich consists of VFOA

图7 VFOA构成电压跟随器的频率特性曲线Fig．7 Amplitude-frequency characteristic curve of the voltage follower which consists of VFOA

由图11可知，电压型运放构成电压跟随器时在低频段具有较好的稳定性，但是由于带宽限制，工作频率并不高，图中由OPA227构成的电压跟随器的-3 dB带宽约为7．8MHz。

2.2.2 电流型运放实现电压跟随器测试

由于电流型运算放大器反相输入端的输入电阻很低，RF不能为零，RF=0相当于输出端直接与反相输入端相连，这样相当于输出端短路，会使CFA过热而烧毁，或导致过流过热保护而无输出。因此由电流型运放构成电压跟随器时，必须在放大器输出端与反相输入端之间串接一个电阻。

针对不同的电流型运算放大器，在构成电压跟随器时，反馈电阻的选择对电路的跟随特性、频率特性等有较大影响。利用电流型运算放大器AD8009按图8所示电路连接成电压跟随器。改变反馈电阻，测量电路频率响应，得到图9所示不同反馈电阻对应的电压跟随器的频率响应曲线（只取频率特性相对较好、频带相对较宽、精度相对较高的3条曲线展示）。

由图9可知，由CFOA构成的电压跟随器，具有更宽的-3 dB带宽，但其频率特性不及VFOA构成的电压跟随器稳定，且与反馈电阻的取值有一定的关系。实验中，当电阻小于510Ω时，电路频带过宽，容易自激。分析附录中的实验数据以及图示，可以知道，当反馈电阻取值过大，大于2 kΩ时，电路的频率特性明显变差，精度急速下滑，因此当运用电流反馈型运算放大器做电压跟随器时，一定要选择合适的反馈电阻。

图9 CFOA构成电压跟随器的频率特性曲线Fig．9 Amplitude-frequency characteristic curve of the voltage follower which consists of CFOA

2.3 同相比例运算电路

如图10所示为同相比例运算电路，电路引入了电压串联负反馈，故可以认为输入电阻为无穷大，输出电阻为零。根据“虚短”和“虚断”的概念，集成运放的净输入电压为零，即：

式（5）表明 uO与 uI同相且大于 uI。

图10 同相比例放大电路Fig．10 Same phase ratio amplifier circuit

2.3.1 VFOA实现同相比例放大器测试

利用电压反馈型运算放大器OPA227构成同相比例放大电路，保证反馈电阻阻值不变，测量不同增益下放大电路的带宽特性。如图11为电压型运放增益带宽特性曲线。

图11 VFOA构成同相比例放大电路的频率响应Fig．11 Amplitude-frequency characteristic curve of the same phase ratio amplifierwhich consists of VFOA

根据所测数据列出不同增益下VFOA同相比例放大器的带宽如表1所示，计算增益带宽积可知，VFOA构成比例放大器时，带宽会随着增益的增大成比例的变窄，这一缺陷限制了电压型运放在高增益大带宽要求下的应用。

表1 VFOA构成同相比例放大电路参数Tab.1 Param eters of the sam e phase amplifier circuit which consists of VFOA

2.3.2 CFOA实现同相比例放大器测试

利用电流反馈型运算放大器THS3121构成同相比例放大电路，保证反馈电阻阻值为1 kΩ不变，测量不同增益下放大电路的带宽特性。如图12为电流型运放增益带宽特性曲线。

图12 CFOA构成同相比例放大电路的频率响应Fig．12 Amplitude-frequency characteristic curve of the same phase ratio amplifierwhich consists of CFOA

同理根据所测数据列出不同增益下同CFOA相比例放大器的带宽如表2所示，分析数据可以发现，随着放大倍数的增加，CFOA构成的比例放大电路的-3 dB带宽虽会在减小，但不及VFOA构成的比例放大电路明显，且增益带宽积断然不可能是常数。因此可以说明，由电流反馈型运算放大器构成的比例放大器的带宽并不会随着增益的增大成比例变小。正是由于这一点，CFOA被广泛应用在对频率增益要求高的电路中。

表2 CFOA构成同相比例放大电路参数Tab.2 Param eters of the sam e phase amplifier circuit which consists of CFOA

3 结束语

文中通过理论推导和对实际电路的测试，发现电流型运放可以在增益较大的电路中保证较宽的带宽，且具有很大的转换速率，因此十分适用于高速电路。由于拓扑结构的差异，使用电流型运放构建电压跟随器的时候与使用电压型运放的时候，电路结构存在差异，根据所用电流型运放芯片的不同合理选择反馈电阻是保证良好电压跟随特性的关键。电流型运放的基极电流较大，因此不适合构建要求基极电流可以忽略的负阻变换器。本文小结了电流型运放的选型依据。在具体应用电路中，一定要结合应用电路及电流型运放的特性合理选择芯片。

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