1.3 电流反馈运算放大器

接下来将着重介绍在高速运放逻辑中最为流行的一种拓扑结构——电流反馈型拓扑（Current Feed Back，CFB）。这种电路概念在很多年前就已经产生，但是，直到现代高速互补双极型工艺的出现，才使得这种电路结构的优势得到充分发挥。

很早以前我们就知道，在双极型电路中，同等条件下电流比电压的开关速度更快。这就形成了非饱和型发射极耦合逻辑（ECL）及其器件（如电流输出型DAC）的理论基础。通过减小电流开关节点处的阻抗有利用减小杂散电容的影响，杂散电容的影响是高速电路中最大的损害之一。电流镜像就是一个电流怎样在最小的时延条件下快速改变的好例子。

电流反馈型运放拓扑只是电流控制理论的一个应用。如图1.11所示，是一个简化的电路反馈型运放结构图。同相的输入信号阻抗很高，通过由三极管Q1和Q2组成的互补型射极跟随缓冲器器将该同相输入信号缓冲至反相输入端。需要注意的是，由于射极电阻很小，因此反相输入阻抗非常低（一般为10～100Ω），在理想情况下，其值可以达到0。这是电流反馈型运放与电压反馈型运放的基本区别，这也使得电流反馈型运放与其他运放相比，具有许多独特的优势。

三极管Q1和Q2的集电极驱动镜像电流源，镜像电流将反向输入电流镜像至由RT和Cp组成的高阻抗节点，该节点通过互补单位增益射极跟随器缓冲。由输出端反馈到反相输入端的反馈作用使得反相输入电流变为0，这就是所谓的电流反馈。理想情况下，当反相输入端阻抗为0时，该节点没有小信号电压，只有小信号电流。

接下来，考虑在电流反馈型运放的同相输入端施加一个正阶跃电压。在施加正阶跃电压之后，三极管Q1立即产生等比例的电流，该电流进入外部反馈电阻产生一个误差电流，此误差电流又被Q3镜像至高阻抗节点。高阻抗节点处产生的电压等于电流乘以等效阻抗。因为该传递函数是阻抗，而不是传统电压反馈型运放中的无单位电压比，所以，又将这种电流反馈型运放称为跨阻型运放。

还需注意的是，流入高阻抗节点的误差电流不受输入级偏置电流的限制。也就是说，理想的电流反馈型运放没有压摆率限制。镜像电流从供电电源处可以提供“点播电流”。负反馈环能调节输出电压，以使得反相输入误差电流为0。

如图1.12所示，是电流反馈型运放的模型及其对应的伯德图。伯德图采用对数—对数坐标，其开环增益用互阻T(s)表示，单位为欧姆。

输入缓冲器的有限输出阻抗由R0控制，i是输入误差电流。由负反馈原理，可以得到运算放大器的传递函数表达式如下：

在运放的3dB闭环带宽频率处，得到如下等式：

即，得到fCL表达式如下：

当R0＜＜R2与R1时，可以得到fCL的简化表达式如下：

从上公式可以看出，电流反馈型运放的闭环带宽由内部主导极点电容 Cp和外部反馈电阻R2决定，与增益设置电阻R1无关。电流反馈型运放可以使带宽独立于增益变化，而保持带宽稳定，这个特点使得电流反馈型运放非常适用于用作宽带可编程增益放大器。

因为闭环带宽与外部反馈电阻成反比，所以，在电流反馈型运放中，通常采用特殊的R2电阻来作为优化措施。在一定范围内增大R2可以减小带宽，而减小R2有可能使得高频寄生极点导致振荡和不稳定。

电流反馈型运放AD8011在各种闭环增益下（分别为+1，+2，+10）的频率响应如图1.13所示。注意，即便是在增益等于+10时，其闭环带宽仍然大于100MHz。在增益等于+1时出现的尖峰是宽带电流反馈型运放在同相模式下的典型情况，产生这种情况的原因主要是由于反相输入端的杂散电容引起的。通过牺牲带宽和使用稍微大点的反馈电阻可以减小峰值。

电流反馈型运放AD8011具有很好的特性，其关键指标如图1.14所示。

采用如前所述的镜像电流源后，传统的电流反馈型运放通常只有一级增益放大。与传统的电流反馈型运放不同，AD8011运放（以及该系列的其他型号，如AD8001、AD8002、AD8004、AD8005、AD8009、AD8013、AD8072、AD8073）采用了两级增益放大，其结构如图1.15所示。

直到AD8011出现前，全互补的两级增益放大电流反馈型运放还因为功耗过大而无法实现。而AD8011采用了特殊的技术，其第二增益放大级由一对互补的放大器（Q3和Q4）组成。注意，他们不是与镜像电流源相接，而是共射极增益放大器。电流源 I1、I2及其偏置电流电路的设计是两级电流反馈型电路成功的关键。该电流源既能保证静态电流小，又能保证在出现快速摆动时为宽电流提供“点播电流”。

两级放大器的另外一个优点是在相同功耗下带宽更大，这就意味信号失真度更低并且能够驱动更大的外部负载。

至此，我们已经了解了电流反馈型运放的几个关键特性。其中最重要的是，由于采用互补双极型集成电路工艺，在相同的静态电流下，电流反馈型运放比电压反馈型运放的FPBW更高（因此失真更小）。因为电流反馈型运放几乎没有压摆率限制，所以，其满功率带宽和小信号带宽近似相等。

第二个重要特点是，电流反馈型运放反相输入端阻抗极低。因为与电压反馈型运放相比，电流反馈型运放对反向输入电容具有更低的敏感度，因此，在反相模式下经常用于I/V转换器中。

第三个重要特点是，电流反馈型运放的闭环带宽仅由内部电容 Cp和外部反馈电阻 R2决定，而与增益设置电阻R1无关。

如图1.16所示，列举了几种典型的电流反馈型运放的性能比较。

电流反馈性运放的基本特性总结如图1.17所示。

图1.16 几种典型的电流反馈型运放的性能比较