《电子技术应用》

基于CFA的运算电路设计与仿真

2017年电子技术应用第6期 作者:丰 豪,王雅洁,赵柏树
2017/7/7 11:05:00

丰  豪,王雅洁,赵柏树

(湖北大学 计算机与信息工程学院,湖北 武汉430062)


    摘  要: 选用一种典型的电流反馈型运放OPA603进行研究,设计运算电路,详细论述了电路设计原理、电路结构以及元件参数选择方法。通过外部调零的方法,解决电流反馈运放失调较大的问题;用Howland电流源设计同相积分器,或在反相积分器中加入补偿电阻的方法,避免CFA电路中不能采用直接电容反馈构成反相积分器的限制。仿真结果表明,论述的电路设计方法可行,由CFA构成的运算电路的带宽达到100 MHz数量级。

    关键词: 电流模电路;CFA;运算电路;积分电路

    中图分类号: TM919;TN710    

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.06.014


    中文引用格式: 丰豪,王雅洁,赵柏树. 基于CFA的运算电路设计与仿真[J].电子技术应用,2017,43(6):56-59.

    英文引用格式: Feng Hao,Wang Yajie,Zhao Baishu. Design and simulation of several operational circuits based on CFA[J].Application of Electronic Technique,2017,43(6):56-59.

0 引言

    近十几年来,随着以CB工艺为代表的各种新技术的发展和突破,模拟集成电路设计已由电压模电路为主过渡到以电流模电路占主导地位的模式,在模拟电路设计中长期占据统治地位的电压反馈运算放大器(VFA)正在被电流反馈运算放大器(CFA)所取代。然而,由于VFA“先入为主”的惯性作用,传统的教科书在论述集成运算放大器的理论和应用电路时,均以VFA为例,并未顾及CFA。虽然近年来最新出版的电子技术教材论述了CFA的原理,但就如何应用CFA构成运算电路尚未涉及;各种期刊中有关CFA的应用研究时有报道,但相关研究仅限于具体问题的讨论,未见系统地研究CFA运算电路的文献,这与目前电子工程领域的应用要求大相径庭。为此,我们选用一种典型的CFA进行了研究,设计了几种典型的运算电路。本文详细论述相关电路结构、元件参数和仿真结果。期望能给电路设计者提供一份可以借鉴的材料。

1 反相放大器

    CFA是一种典型的电流模电路[1]。电流模电路更少受杂散电容的影响,在制造CFA的过程中采用了高速互补双极工艺,因此CFA比VFA的工作速度快几个数量级。

    虽然电流反馈运放与电压反馈运放的内部结构和工作原理有着巨大差异,但由电流反馈型运算放大器构成负反馈应用电路后,其输入电压约束条件(俗称“虚短”)和输入电流约束条件(俗称“虚断”)却是完全相同的。因此,用电流反馈运算放大器设计运算电路的基本思路和方法,与使用电压反馈运放设计运算电路的传统方法是基本相同的。

    由电流反馈型运算放大器构成的反相比例运算电路的原理电路如图1所示。根据图1电路可以求得闭环增益的表达式如式(1)[2]

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    闭环低频增益满足式(2)。

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    式(3)中的Ceq是运算放大器内部的频率补偿电容,其值为pF数量级。由式(3)可见,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。而且,可以用R2设定带宽,然后用R1设定低频增益。这样可以在独立于带宽下控制增益,这在实用中是非常方便的,大大优于使用VFA时需要考虑增益带宽积为常数[3]的情况。

    在实际运算电路中,即使输入信号为零,输出并不为零,即电路产生失调误差,包括由输入失调电流IOS所引起的输出直流噪声,以及输入失调电压VOS所产生的误差等,均对电路产生影响。与电压反馈运放不同,电流反馈运放的输出失调电压超过200 mV,如此大的失调电压有可能淹没有用信号,必须进行调零补偿。本文选用的电流反馈运放OPA603没有内部调零电路,只能进行外部调零。加入调零电路后的反相比例运算电路如图2所示,图中R3是调零电路。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。这种方法的优势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。具体电路为由供电电压作为基准源,并通过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。

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    表1给出了通用运算放大器OPA603组成的反相放大器电路的仿真数据,与理论计算结果完全吻合。利用multisim软件仿真,给出了通用运算放大器OPA603组成的反相放大器电路的频响曲线如图3。由频响曲线可知,CFA反相放大器的上限截止频率超过100 MHz。如果要获得更宽的频带,可以选用上限截止频率更高的电流反馈型运放。

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2 同相放大器

    同相放大器的设计方法与反相放大器的设计方法基本相同,其设计基本原则依然是输入电压约束条件和输入电流约束条件。由电流反馈型运放OPA603构成的同相放大器电路如图4所示。图中R3及R4为调零电路。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直流增益为:

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    rn为输入缓冲器的非零输出电阻,则反馈因子为:

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    式(6)中的ft是运算放大器闭环带宽,其值是100 kHz数量级。图5给出了通用运算放大器OPA603组成的同相放大器电路的频率特性曲线(软件仿真结果)。

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    由频响曲线可见,CFA同相放大器的上限截止频率达到了100 MHz以上,其带宽远远超过VFA组成的同相放大器的带宽。在实际应用领域,具有更广泛的应用范围。表2给出了通用运算放大器OPA603组成的同相放大器电路的仿真数据,与理论分析一致。

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3 积分运算电路

    在积分电路中,因为电抗元件产生的反馈相位滞后会引起电路不稳定。CFA受电抗元件产生的反馈相位滞后影响比VFA更大,因此在CFA电路中必须避免采用直接电容反馈,以免电路自激振荡。实际应用中必须采取一定措施,以保证电路稳定工作。本文分别给出两种可行的设计方案,下文将分别阐述设计原理以及仿真结果。

    第一种设计方案是在豪兰德(Howland)电流泵的基础上进行一定的改进而成[4],如图6所示。由输入电压约束条件和输入电流约束条件,得到运放反相端n的电流方程为:

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    由式(12)可见,电路实现同相积分功能。图7给出了该积分运算电路的工作波形(软件仿真结果)。

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    由图可见,用CFA设计的同相积分电路很好地完成了方波到三角波的波形转换功能。当然,积分器的非线性失真、漂移、调零等问题的解决方法与传统方法是相似的[5]

    另一种设计方案是对反相积分器[6]进行改造。为了抵消直通电容产生的反馈相位滞后对电路造成的影响,采用的具体改进措施是在求和节点和反相输入端加一个电阻,破坏电路的自激条件。

    设计积分电路,首先要确定时间常数。时间常数的大小决定了积分速度的快慢,由于运算放大器的最大输入电压Uomax为有限值,所以如果时间常数太小,则还未达到预定的积分时间t之前,运放已经饱和,输出波形将会失真。所以应满足式(13):

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4 结论

    (1)用CFA设计运算电路的方法与设计运算电路的传统方法相同,输入端的电压约束条件和电流约束条件是设计运算电路的基本准则。应用上述方法还可以组成求和电路、加减运算电路、差分放大器、I-V转换器等电路拓扑,本文不再赘述。

    (2)CFA组成的运算电路有较大的失调电压,需要精确调零。

    (3)CFA是电流模电路,受更少杂散电容的影响,在制造CFA的过程中采用了高速互补双极工艺,因此CFA比VFA的工作速度快几个数量级。CFA不受增益带宽积的限制,CFA运算电路具有更大的带宽和极高的转换速率(SR)。

参考文献

[1] SARKAR A R,MAUNDY B J,GIFT S J.On the new design of CMOS current feedback amplifiers[J].Midwest Symposium on Circuits & Systems,2003,1:47-50.

[2] 赛尔吉欧·弗朗哥.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计第三版[M].刘树堂,荣玫,译.陕西:西安交通大学出版社,2009:261-266.

[3] 张静,成立,倪雪梅,等.低压低耗宽带CMOS电流反馈运放仿真设计[J].半导体技术,2009(09):895-898.

[4] 陈笑风,杜磊,赵柏树.基于Howland电流源的精密压控电流源[J].电子技术应用,2012(9):71-74.

[5] 缪英武.集成放大器及相关模拟电路失真特性研究[D].成都:电子科技大学,2012:65-68.

[6] 任骏原,李春然.积分运算电路的设计方法[J].吉林大学学报(信息科学版),2014(3):280-283.

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