工程師最常向我提出的一個請求是針對電壓反饋運算放大器(op amp)和電流反饋運算放大器進行比較。但如果不先弄清每一種運算放大器如何運作,就不太可能確定在某一種應用中選擇哪一種運算放大器放才好。在此先介紹電壓反饋運算放大器(圖1)。

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圖1:電壓反饋運算放大器使用長尾對,以取得高精度和共模抑制(CMR)。

精度和共模抑制(CMR)是電壓反饋運算放大器的優勢,但相較於電流反饋運算放大器,其壓擺率和頻率特性較差。

在圖1中,長尾對Q1-Q2和電流源I構成了電壓反饋運算放大器的輸入級。當基極電壓相等時,Q1和Q2的完美匹配可使集電極電流相等。完美匹配Q1和Q2的另一個好處是Q1的基極接地能夠有效地讓Q2的基極接地,因為電壓降相等。半導體製程技術讓這兩個輸入電晶體盡可能地相匹配。如果無法充份匹配配平,製造商會用其它方法使這兩個電晶體看起來匹配,例如微調沉積電阻或熔斷連接。

將IN–連接至IN+可消除輸入差分電壓。因此,輸入電壓變為共模。將共模輸入電壓調高或調低1V,並不會改變Q1和Q2的集電極電流,因此電路會抑制共模電壓。只要不違反集電極或發射極電流源的標準,就可以完成共模電壓抑制。

匹配Q1和Q2能夠確保基極-發射極電壓和電流增益β相等。相等的基極-發射極電壓可確保不存在輸入偏移電壓,而且相等的電流增益可確保輸入電流相等。相等的輸入電流消除了輸入偏移電流,因此可以使用外部電阻器,將輸入電流轉換為運算放大器容易抑制的共模電壓。電壓反饋運算放大器的高精度正因為它有匹配的輸入級。

電壓反饋運算放大器是一種電壓增益元件,因此,它有高阻抗節點,例如各種電晶體集電極上的節點。將高阻抗節點與最小的雜散電容耦合,可能引起某個頻率上的訊號衰減和較差的高頻特性。

此外,驅動緩衝器的節點限制了電路的壓擺率。預緩衝級(prebuffer-stage)的壓擺率公式為dV/dT=I/C。輸出電流源固定為I,接點電容固定為C,因此電壓反饋運算放大器的內部設計限制了其壓擺率。此類電路的壓擺率性能受到限制,除非針對電路進行設計以提高其壓擺率性能。但是,增加壓擺率總會以增加功率為代價,而且往往會降低增益和精度。

總之,電壓反饋運算放大器具有極好的精度和CMR,同時具有中等的頻率和壓擺率性能。

編譯:Jenny Liao

(參考原文:Anatomy of a voltage-feedback op amp,by Ron Mancini)