基于电流模电路的通用宽带电流放大器的设计与仿真

丰　豪，赵柏树，李宣成

(湖北大学 计算机与信息工程学院，湖北 武汉 430062)

0　引言

在晶体管诞生后的几十年时间里，以电压为处理参量的电路——电压模电路，一直占据着电子电路的统治地位。从而，“电压放大器”成为传统教科书和经典文献的主要论述对象，并得到充分的研究，而“电流放大器”仅仅作为双口网络的四种基本电路形式之一，在教科书中被泛泛述及，其具体实现电路的研究几乎处于空白状态。

20世纪末，随着以CB工艺为代表的微电子技术的高速发展和突破，高速电子电路得到迅猛发展，诞生了以电流为处理参量的电路——电流模电路[1]。电流模电路具有电压模电路不可比拟的优越性，从而导致其核心部件——电流放大器受到极大关注，相关研究不断深入。然而，由于历史的原因，有关电流放大器的研究大多针对具体的应用问题，而系统地论述电流放大器的文献还未见报道。

鉴于此，设计了一种基于电流模电路的、由宽带I/V变换器、电流模电压放大器以及宽带压控电流源三模块直接耦合级联而成的通用电流放大器，并通过仿真手段，给出了精度、输出阻抗以及频率特性的实验结果。

1　电流放大器模型

电流放大器是一个双端口网络，其等效模型如图1所示。激励源用的是诺顿模型，也可以用戴维宁模型。对于模型中的输入端口有

(1)

图1　电流放大器模型

式中iS、RS分别为理想电流源的输出电流与内阻，Ri为电流放大器的输入电阻。

由图1和式(1)可见，当Ri=0时,ui=0，ii=is，输入电流与信源内阻无关。因此，为了减小信源内阻对电路的影响，使电流源的电流全部流进电流放大器，电流放大器的输入电阻应尽可能小；对于输出端口，电流放大器的输出电流io为：

(2)

式中Ai为电流放大器的电流增益，uO、RO分别为电流放大器的输出电压和输出电阻。为提高电流放大器的带载能力，降低负载电阻对输出电流的影响，RO应趋于无穷大。当RO趋于无穷大时，由式(2)可得:

iO=Aiii

(3)

这时，输出电流与信源内阻及负载电阻无关，仅由电路的电流增益决定。本文将围绕如何实现这一目标展开讨论。

2　宽带I/V变换器

电流放大器常用作微弱电流的放大，因此，作为电流放大器的第一级电路，如何提高其精度是设计的关键。为此选用低失真、低噪声的电流反馈型运放THS3091设计I/V转换器。I/V转换器分为分流式放大器和反馈式放大器，反馈式放大器具有较低的输入阻抗和较小的输出偏移电压。理想的电流放大器的电流增益应不受信号源内阻的影响而保持为常数，从而其输入阻抗应趋于0，因此，选用THS3091构成反馈式放大器，如图2所示。利用运算放大器的输入电压约束条件(俗称“虚短”)和输入电流约束条件(俗称“虚断”)可以得出：

uO=-iiR1

(4)

图2　I/V转换器

上式是理想运放下I/V变换器输入电流与输出电压的比例关系。为减小失调电流IOS以及输入失调电压VOS对电路产生的影响，引入补偿电路如图3所示。图中R2是调零电阻。其工作原理是基于将可调的电压和电流加入到电路中，以补偿电路的失调误差。采用这种方法的优点是在输入级不会引起任何额外失衡，因此不会使漂移、CMRR或PSRR性能下降[2]。由供电电压作为基准源，并通过高精度滑动变阻器产生的可调电压VX，去抵消输入的总失调误差EI，实现调零,保证电路的精度。

图3　I/V转换改进电路

电路的互阻增益为：

Aui=-R1

(5)

理论和实验表明,由电流反馈型运算放大器构成的I/V转换器的带宽与R1的取值关系密切，R1的值越大,电路的带宽越窄[3],所以R1阻值不能过大,限制了电路的互阻增益。

表1给出了图3所示电路当输入电流为nA数量级且R1为1 kΩ时输入电压的仿真数据。实验表明，输入电阻约为0.05 Ω；互阻增益可以根据需要调整。因为电流反馈型运算放大器不受增益带宽积为常数[4]的限制，具有较大的带宽,精度优于0.15%。I/V变换器模块的幅频响应曲线如图4所示(仿真结果),测得电路的-3 dB带宽约为296.19 MHz。

图4　I/V转换器的幅频响应

3　电压放大模块

由于I/V转换器的互阻增益受R1大小的限制不能取得太大,从而必须插入电压放大模块来调整电路的总增益。这里采用电流反馈型运算放大器OPA603构成电压放大电路。

在I/V转换器中，输入电流与输出电压反相。为了保证电流放大器输入、输出电压同相，电压放大器采用反相放大方式。为了使电流放大器的电流增益可以

表1　I/V转换器仿真数据(交流信号的频率为1 kHz)

根据实际需要灵活调整，并具有较大增益，采用如图5所示的反相比例运算放大器级联的方式。电路具有增益大、调整方便的特点。因为采用多级级联方式，每级电路必须严格调零，通过精密可变电位器实现。

图5　反相放大器

在图5所示电路中，利用理想运放输入电压约束条件和输入电流约束条件可得到：

(6)

从式(6)中可以看出电压放大器放大倍数可以通过调整电阻R1、R2的比值灵活地改变增益。在实际应用中，通过多级级联的方式可以使电路具有较大的增益。同时，因为采用电流反馈型运算放大器，电路的闭环带宽仅仅依赖R2，如果取R2为千欧数量级的电阻，则闭环带宽将达到100 MHz数量级[5]。

4　宽带压控电流源

在放大电路中引入电流负反馈，可以实现电压-电流的转换。本文采用基于Howland电流源、负载接地的实用电压-电流转换电路[6]。由集成运放A1构成的同相比例运算电路与集成运放A2构成的电压跟随器构成如图6所示。

根据图6电路，应用KCL、KVL[7]及运算放大器的输入电压约束条件和输入电流约束条件可得：

uO1-uP2=ROiO

(7)

(8)

(9)

uO2=uP2

(10)

图6　宽带压控电流源

其中uO1、uO2分别为运放A1、A2的输出电压，uP1、uN1与uP2、uN2分别为运放A1、A2的同相端与反相端电压。联立上式，且当R1=R2=R3=R4时：

(11)

由式(11)可知，输出电流与输入电压成正比，且只与RO有关，与负载无关，实现了输入电压到输出电流的变换。

利用Multisim软件对图6所示的V/I转换电路进行仿真，当RO=1 kΩ，RL=100 Ω时，仿真结果如表2所示。当负载电阻(拉电流负载)在200 Ω以内时，电流源的精度为1.2%；-3 dB带宽约为87.24 MHz，互导增益也可以根据需要调整。因为该压控电流源模块的输出电阻及精度受RO的限制，所以如需进一步提高精度和带负载能力，可以适当增大RO的值,互导增益会变小，可以增大前一级电路的电压增益弥补整个电流放大器的增益。

表2　V/I转换器仿真数据(交流信号的频率为1 kHz)

注：理论值iO=ui/RO，RL在100 Ω～200 Ω间变化，表格中误差为绝对误差。

图7　通用宽带电流放大器

5　各模块的级联与结论

将上述三模块直耦级联，得到图7所示电路。电路中的有源器件全部使用CFA(典型的电流模电路),从而其性能大大优于由电压模器件构成的系统。测得电路的输入电阻为0.13 Ω，输出电阻为59 kΩ，电流增益为60 dB，实现了式(3)的功能，达到设计要求。

在调试电路时，由于电路为多级直接耦合结构，前级的工作电压(或电流)经过放大后会影响后级电路的静态工作点，严重时甚至导致振荡[8]。所以必须对每级电路分别精密调零。

本文论述的电路具有以下特点。

(1)采用三模块结构，电流增益可以根据需要灵活调整，调整范围为40 dB～80 dB。仿真结果显示，当电流放大器的增益设置为典型值60 dB时，输入1 μA、1 kHz的交流信号，输出电流为0.996 5 mA。同时，受电流放大器输出最大电压小于供电电源的制约，负载的阻值与输出电流的乘积应该小于运算放大器的供电电压。

(2)通过选用电流反馈型运算放大器设计电路，不受电压反馈型运放增益带宽积和有限压摆率[9]的影响，提高了系统的带宽，具有广泛的应用前景。仿真结果显示，宽带电流放大器的幅频响应如图8所示，-3 dB带宽约为40.56 MHz。

图8　宽带电流放大器的幅频响应

(3)采用精密、低失真、低噪声的电流反馈型运放THS3091设计输入电路，精度较高。在实际应用中如要进一步提高其精度，可以在宽带压控电流源中引入误差补偿，进一步改善其精度[10]。

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