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高速运算放大器应用技术
北京航空航天大学207室(100083)
郭荣祥 李亦群
北京市英赛尔器件集团(100044) 高 工
摘 要：
综述了高速运放VFA和CFA的特点，容性负载驱动技术和几种典型应用。
关键词： 高速运算放大器 电压反馈运算放大器(VFA) 电流反馈运算放大器(CFA)
1 概述
随着多媒体和通讯技术的迅猛发展，促进高速运算放大器得到广泛应用。高速运放的特点是
频带宽、建立时间快、失真和噪声小、输出电流大、直流特性好，能在低电源电压下工作，
可用作增益模块、电缆及线路驱动器、ADC前置放大器、电流电压转换器等。最近几年，
随着IC工艺的发展和电路结构的更新，使高性能高速运算放大器有了长足进步，极大地满
足了低功耗、宽频带便携式和电池供电通信设备及其它高速模拟信号处理应用的需要。高速运放与制造工艺密切相关，图1示出了美国模拟器件公司(ADI)采用的BiFET,CB和XFCB制
造工艺与高速运放性能提高的关系。
图1 ADI公司制造工艺与高速运放性能提高的关系
从电路结构来看，高速运放分为两类：电压反馈运算放大器(VFA)和电流反馈运算放大器(CF
A)。用电流反馈结构构成的CFA，输入级用射极跟随电路代替了传统的VFA中的长尾对管电路，大大提高了输入级的转换速率(SR)。有关CFA的原理及应用，已在文献［1］中作了介绍
。表1比较了高速VFA与CFA的主要特性。
2 容性负载驱动技术
首先应判断运放能否稳定地驱动容性负载。许多
表1 高速VFA和CFA主要特性对比
VFACFA
同相端与反相端输入阻抗对称两输入端阻抗不对称外电路等效阻抗匹配可减少输入偏置电流引起的误差如果输入偏置电流对消，则不工作反馈网络配置灵活，可采用多种方案为达到最佳性能，反馈网络固定增益带宽积为常数不同增益时，带宽恒定可构成有源滤波器和积分器很难用作积分器输入电压噪声是主要噪声源反相输入电流噪声是主要噪声源运放产品说明中都给出“容性负载驱动能力”指标，有的给出“小信号过冲与容性负载关系曲线”，从而可以确定使系统稳定的容性容载大小。还有的运放给出开环输出电阻RO，根据容性负载CL可以计算出附加极点频率fP=1/2πROCL。当fP大于闭环带宽f
CL 10倍时，可保证电路稳定。为使容性负载电路稳定，有以下几种常用处理方法。
21 过补偿技术法
有些运放带有一个外接补偿电容的引脚(如AD829的5脚)。对这些运放，可以采用过补偿的方法，人为地减小运放带宽。在变窄的带宽范围内，负载电容造成的附加相移不会影响系统的稳定性。
22 提高放大器的噪声增益
保持低频电路稳定的有效方法是提高电路的噪声增益，而信号增益不变。这样可在开环增益
与单位增益带宽之积恒定条件下降低噪声带宽。具体电路如图2所示。因为是噪声增益而不
是信号增益支配稳定性，所以电路稳定性的提高不影响增益。噪声带宽至少应比容性负载极
点频率低10倍频程。
(a)跟随器 (b)反相器
图2 提高放大器噪声增益电路
23 串入负载电阻
如图3所示，RX限制了最大负载电流，起到隔离作用。但RX的引入会严重影响运放的SR，信号的建立时间等。因此，RX值不可太大，选取时要考虑到以上因素。不同的负载电容所需的最佳电阻RX是不同的。
图3 串入电阻隔离容性负载电路
24 闭环负载电容补偿法
如图4所示，AD845驱动1nF电容负载，对于电路反馈网络，直流反馈通过RX和RF完成，而高频交流反馈通过CF完成。这样，用较大的直流增益来提高驱动CL的能力，仔细调整CF，可以获得较好的瞬态响应。与方法3相比，这种方法对带宽和SR影响小一些，但CF取值对CL变化敏感，在负载电容未知或非恒定时，这种方法并不优越。
图4 闭环容性负载补偿电路
25 内部带容性负载补偿法
有的运放内部带有容性负载补偿电容，例如AD847，AD817，AD827和AD826等。对用户来说，用这样运放驱动电容负载是最简单的办法，但这类运放输出失真度往往偏高，而且驱动能力与信号幅度有关。
3 高速运放典型应用
31 高性能视频线路驱动器AD8047/48 VFA非常适合用作视频线路驱动器，如图5所示。
运放输出端串入75Ω电阻保证运放输出与传输线的匹配。传输线末端并入75Ω电阻保证负载之间匹配，在增益G=+2时，微分增益误差001%，相位增益误差002°，适合用于高清
晰度电视(HDTV)。在±5V电源，01dB增益均匀性条件下，带宽可达到50MHz，SR为1000V/
μs，达01%建立时间为13ns，总静态电流6mA。
图5 视频线路驱动器
32 差分线路驱动器
通常有两种方法，一种是反相器和跟随器组合电路如图6所示，另一种是交叉耦合，如图7所
示。
图6 反相器和跟随器构成的差分驱动器
图7 交叉耦合差分驱动器
在图6中采用AD812，其中U1A和U1B分别提供+1和-1的增益。为减小失真，同相和反相跟随器应尽可能做到对称。除阻抗匹配外，还需使两路输出在带宽和相位上保持一致。自举电阻R
G1 提高了同相跟随器的噪声增益，使其与反相跟随器噪声增益相同，也就保证了二者具有相同的带宽。为减小A，B通道相移不同而造成的失真，可通过微调RG1
来实现。调节方法是在A，B输出端接一个加法器，调节R G1 使加法器输出接近零。
图7所示电路特点是宽频带(可达250MHz)和高CMRR。对U1A电路，增益G=R2/R1，但由于V
OUTA 被U1B反相跟随成V OUTB ，所以V OUT =V OUTA -V OUTB =2V OUTA ，故整个电路增益为2R2/R1。这种交叉耦合跟随器有3个优点。
第一，差分增益仅由电阻比值(R2/R1)决定，省去了两路放大器的匹配调节。
第二，整个电路仿效VFA，所以对反馈电阻的阻值要求不高(通常CFA反馈电阻应选推荐值)
第三，通过接入电阻R3可以提高实际增益，而不会使带宽变窄，调节R3可以调整U1A和U1B输入级跨导，通常可以按R3≈RX/〔(R2/R1)-1〕选取。图中09pF电容是为提高增益均匀性的补偿电容，电阻RX对不同的运放有着不同的最佳取值，可根据实际情况而定。
33 视频线路接收器
电缆接收器一般采用差分放大实现平衡不平衡转换，图8是用AD818构成的简单视频线路接收器，其中R1与R3，R2与R4阻值应严格相等，因为电阻不对称会降低整个电路CMRR，例如01%的阻值误差，CMRR为54dB，而1%的误差CMRR会降至34dB。补偿电容C1和C2也应对称，但由于寄生电容的影响，对称性需要作一定的调节，图中通过调节C1来完成。值得提出，电路的增益和相位特性与电源电压有关，通常最佳特性要求电源电压在±10V以上。但电源电压高，功耗也大，所以需要权衡考虑。另外，电缆上有可能出现较大的共模干扰，有时需要在输入端加保护电路，防止由于输入电压过高损坏器件。应该指出，上述电路的CMRR与四个电阻匹配有关，为了提高CMRR的性能，可采用有源反馈差分线路接收器AD830。
图8 视频线路接收器
34 高速光电二级管前放
带暗电流补偿的2MHz的光电二极管前放电路如图9所示。在运放的选择问题上，首先应选FET输入的放大器，以减小输入偏置电流对光电流的旁路作用。其次，带宽要大，因为-3dB带宽fx=fu/〔2πR2(CD+C
IN )〕,式中fu为单位增益带宽，C IN 为输入电容，CD为光电二极管电容，可见为提高fx，要有大的fu和小的C IN ，通常以fu/C
IN 作为选择标准，这个比值越大越好，为此我们选fu=16MHz C IN =1.8pF的AD823运放。若CD=4pF按照图中参数可求得fx=2.1MHz，C2补偿电容可以由下式求出C2=C1/2πR2fu=076pF，为减小寄生电容，100kΩ反馈电阻由3个332kΩ串联而成，电路实测带宽为2MHz。光电二极管D1，D2用来抵消暗电流。
图9 带暗电流补偿的光电二极管前放电路
35 精密高速复合放大器
用VFA和CFA可构成精密高速复合放大器，如图10所示。VFA虽然精度高，但高频环路增益低
，而CFA不论在高增益或低增益下均具有优良的动态特性，但其直流精度不如VFA。将两者组
合起来，可充分发挥其个自的优势。
图10 VFA与CFA构成的精密高速复合放大器
最后应该说明的是，单电源电源限输入和输出的VFA，也是非常有用的一类运放，已在文献
［3］中作了介绍。有关高速运放应用的详细资料和选购业务请与北京市英赛尔器件集及其
分公司联系，电话：北京(010)68495747，68495746；上海(021)64851134；成都(028)5586784；西安(029)8221253。
参考文献
1 郭荣祥，郭吉祥，高工电流反馈运算放大器的原理及应用《电子技术应用》
，第2期，1988年
2 Walt Kester,High Speed Design Techniques,Analog Devices Inc.,1996
3 高光天电源限运算放大器的原理及应用《电子技术应用》，第4期，1997年
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