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运算电流放大器

运算电流放大器

 

除了电压,电流也可以用在输入端,构成了电流输入放大器。本章将讨论它们。

首先讨论了全运算放大器,之后是更多的配置,在这类放大器中,添加了跨阻放大器,关于跨阻放大器输入端的并联串联反馈

 

电流放大器用于电流传感器和一些高频应用,例如接收光的运放二极管(像素探测器,辐射探测器,……),提供与接收光量成比例的电流,它是反向偏置的,它表现为具有值为IIN的电流源。在这种情况下,电压放大器可用于阻性反馈,其提供输出电压RFIIN,或具有跨阻AR的电流输入放大器,问题是从增益(或灵敏度)、速度和噪声性能的角度来看,哪一种更好?

 

图 1  电流或电压放大器

 

电流输入假设使用级联,如下图所示。这个放大器实际上由两个电流镜组成,通过它们的参考电压连接, 然后输出电流镜像到输出,电流系数为 B2 ,这两个电流镜提供了偏置。两个晶体管M1和M3偏置在电流IB下,然而对于小信号,晶体管M1和M3作为级联工作。输入电流 iIN 在两个输入级联上进行分压,乘以 B2,并在输出晶体管 M5 和 M6 的漏极处的输出电阻 ROUT中产生输出电压。

电流增益非常适中,但跨阻可以非常大,特别是在晶体管M5/M6上使用级联,并且在这些级联上使用增益增强时。带宽BW也由ROUT决定,结果跨阻带宽积不再包含ROUT。无法将ARBW积与电压放大器的GBW进行比较,它们有完全不同的定义!

这个放大器的主要优点是压摆率是无限的,事实上对于一个大的输入电流,SR由这个输入电流本身乘以B2决定的。

 

图 2  运算电流放大器- 增益和速度

 

这个较大的输入电流可以大于偏置电流IB,在这种情况下,晶体管M1携带大电流,并且晶体管M3关闭,晶体管M1在AB类中工作!压摆率于是非常高,代价是有些失真!如果我们不想要这种失真,我们必须选择一个偏置电流IB,它总是大于峰值信号电流iIN

高速一般会导致噪音性能差!这也适用于这个电流输入放大器。详细的分析(图4)显示,级联的噪声总是可以忽略不计的,只要它不是由电压源驱动的,而且它没有低电阻负载;这正是我们在这里所具有的!级联晶体管M1视1/gm3为源电阻,1/gm2为负载。M1的输出噪声电流不衰减的通过M2和M3,幸运的是它们在输出时被抵消了。然而,M2和M4本身的噪声电流功率相加起来了,它们一起构成了总的等效输入噪声电流。信噪比很容易计算得,我们所需的IB值越大,信噪比就越差!事实上更高的速度会导致更多的噪音

 

图 3  运算电流放大器- 噪声

 

对于MOST级联,比较了输入电流iin和晶体管电流噪声源iN的贡献,两者都等效为输出。最后计算了输入噪声与晶体管噪声电流iin/iN的比值,这显示了由晶体管噪声产生的等效输入噪声电流,这在所有情况下都是相同的,并且与gm成正比

根据级联是否有实际的电流驱动,可以区分四种情况(有电流驱动案例2和4)。电阻RBB是输入电流源iin的输出电阻,它大于RL,除非RL被电流源IL替换。当级联由低电阻 RB 驱动时,它更像是一个电压源, 同样负载可以是一个小电阻 RL 或大电阻,作为电流源 IL ;显然,晶体管噪声对输入电流的贡献总是很小,除非级联是由电压驱动的 (或用其他1/gm驱动),同时使用小的负载电阻,或电流镜的输入1/gm。在唯一一种情况下级联的噪声很重要,在所有其他情况下,它都是可以忽略不计的。

 

图 4  MOST 级联的增益和速度噪声

 

探索电流运算放大器的高速功能的另一种方法是关闭反馈回路, 在下图中描绘了一个两级电压运算放大器,其中环路通过两个电阻RS和RF闭合,它们定义了增益RF/RS,以及带宽。事实上,电压放大器牺牲带宽换取增益,它有一个常数的GBW,如表达式清楚所示

 

图 5  反馈环路的运算跨导放大器

 

在下图中描绘了一个类似的两级运放,但以电流输入级作为第一级,而不是以电压输入级。同样,环路通过两个电阻RS和RF闭合,这再次定义了增益RF/RS。 然而现在的带宽已经不同了,它似乎是由串联电阻RS决定的。该电阻将输入电压转换为电流,因此它单独出现在表达式中

如果我们现在保持这个电阻RS恒定,并改变反馈电阻RF来设置增益,那么我们有一组与电压运算放大器完全相同的曲线。如图7所示。

 

图 6  反馈环路的运算电流放大器

 

在左边,显示了一个电压运算放大器,增益为1000,它的GBW是32兆赫;在右边,显示一个电流运算放大器,具有相同的增益,输入串联电阻RS保持恒定在5kΩ,因此该电流运算放大器的GBW为32MHz。增益和带宽的关系与电压运算放大器相同,另一方面我们可以改变这个电阻RS来设置增益。如图8所示。

 

图 7  AvV和AvI 的比较

 

在左侧,相同的电压运算放大器取自上图;在右边,我们使用相同的电流运算放大器,但我们现在改变了RS来设置增益,反馈电阻RF保持为100kΩ的常数。我们现在有了一个恒定带宽的放大器,而不是恒定的增益带宽,带宽由RFCc时间常数决定。很明显,有了这个电流放大器,我们可以达到大增益和高速的组合,这是电压放大器不可能的。这是一个明显的优势。

增益1000,带宽现在扩展到1.6MHz,而不是32kHz,这是一个巨大的改善。

图 8  AvI 的优点势

 

对于这个1000的增益,RS的值现在为100Ω;对于更高的增益,这个电阻必须更小。这并不容易,因为电路的输入电阻1/2gm1开始发挥作用。因此,这些高速在高增益值下不易实现。曲线向左弯曲,在实际实践中,收益仍然很大,但没有预期的那么大。此外,双极晶体管具有较低的输入电阻,因此它们可以用于更高的增益-带宽组合,这就是为什么大多数商业电流运放都采用双极技术。

 

图 9  AvI 优点势的限制

Posted in CMOS模拟集成电路

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