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同相放大器和反相放大器,反相放大器原理

时间:2023-05-04 08:32:18 阅读:269767 作者:25

Razavi教材第八章反馈部分开篇用了一个最经典的反相放大器结构。问题在于通过小信号计算出来的增益(8.3)和利用其书中描述的环路增益 (8.8)所得到的结论难以自洽。按照图8.5,8.6分析的模型,容易以为这个电路的前向增益,反馈系数是阻抗分压,即。那么按照经典的反馈模型,闭环增益等于,显然和实际8.3是不符合的。

问题在哪里?问题在于反馈模型里面的A和F不等于电路里面看到的前向放大器增益和反馈电阻分压比。这个单管放大电路是一个反相放大器,而反相放大器的反馈形式是将电压通过反馈电阻转换成电流,与输入电流做比较实现反馈。对于NMOS的输入端,反馈电流完全等于输入电流。而放大器两端输入电压相近是反馈的“额外”效果。

回到最开始的方程。这个电路里面的输出由两条路径建立:第一是放大器。第二是反馈路径。显然可以看到,为了使电路的输出主要由反馈决定,需要放大器有尽量高的开环增益Av。同时注意到反馈电流是流过电阻的。

这个电流是经常被忽略的一个点。多数时候不会注意到一个问题,就是这个电流最后流到了那里?答案是运放内部。这就说明反相放大器需要运放的输出级具有提供大电流的能力,才能保证放大器的电流不会被反馈路径“抽干”,导致开环增益下降。同时也说明反馈路径上的电阻Rf和Ri不能取得太小。如果电压信号本身的内阻很小,这个时候就需要小心了,必须考虑外加的Ri来保证电流不过大。一般而言,这两个电阻都在几十K欧的量级,对应的电流大概是几十uA。所以放大器的输出级需要有上百uA的电流驱动能力。

所以,一般电路里面用的普通二级运放,是不适合做反相放大使用的。特别是高增益的二级运放,很多时候两级运放100u不到的电流就可以做到60dB的增益,但这个增益特别是输出级的增益是靠很大的输出阻抗得到的,一旦接反相电路,反馈电阻会迅速拉低开环增益,导致实际闭环增益和反馈计算相比有出入。如果第一级增益有30~40dB,现象不会很明显。但第一级增益如果不够,现象就会很明显。

以下是渣渣我同组一位老铁的故事:这位老铁做中频滤波后的PGA,用的是经典的二级Miller补偿运放,通过切换反馈电阻实现可变增益。高增益模式下,反馈电阻有几十K,电路就可以正常work。但在低增益模式下,这位老铁的反馈电阻只有3k,而原始设计为了低功耗的总体需要,只提供了三四十uA的输出级电流。如此一来,老铁的PGA在仿低增益时发现电流完全被“抽干”了。这位老铁通过更改电阻值实现增益,但又应付不了PVT变化。原因很简单,因为此时反馈的作用削弱,电路的增益不完全靠电阻决定,和运放也有关。和这位老铁经历类似的还有另一位老铁,某次设计比赛时做低通有源滤波器(结构同样包含反馈链路),比赛指标中功耗当然是评比环节,于是上来就把运放功耗压得很低,结果同样坑在了输出级被抽干上面。

由反相放大联系到Miller补偿。Miller补偿是一个典型的反相放大。只是这里的电阻换成了电容。换成电容以后有什么好处呢?很明显低频时这个电容不会抽后级的电流了。但频率一旦增加,电容阻抗下降,这个抽电流的效果开始增加,体现的效果就是增益下降。和原电路相比,Miller电容的抽取效果相当于电路第二级的输入阻抗下降了1+AF倍,考虑第一级输出阻抗很大,F=1.所以MIiller电容放大了A倍和反相放大器反馈输入阻抗下降为Rf/(1+AF)是一致的。但注意到电容的电流和电阻不一样,电容的电流有滞后。这个滞后导致两个电流是不同相的,所以就会在频响上产生零点,从而有了消零电阻、跟随器和共栅源节点注入等等技巧。

 

 

 

 

 

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