基于電流模電路的通用寬帶電流放大器的設(shè)計(jì)與仿真

豐　豪，趙柏樹，李宣成

(湖北大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430062)

0　引言

在晶體管誕生后的幾十年時間里，以電壓為處理參量的電路——電壓模電路，一直占據(jù)著電子電路的統(tǒng)治地位。從而，“電壓放大器”成為傳統(tǒng)教科書和經(jīng)典文獻(xiàn)的主要論述對象，并得到充分的研究，而“電流放大器”僅僅作為雙口網(wǎng)絡(luò)的四種基本電路形式之一，在教科書中被泛泛述及，其具體實(shí)現(xiàn)電路的研究幾乎處于空白狀態(tài)。

20世紀(jì)末，隨著以CB工藝為代表的微電子技術(shù)的高速發(fā)展和突破，高速電子電路得到迅猛發(fā)展，誕生了以電流為處理參量的電路——電流模電路[1]。電流模電路具有電壓模電路不可比擬的優(yōu)越性，從而導(dǎo)致其核心部件——電流放大器受到極大關(guān)注，相關(guān)研究不斷深入。然而，由于歷史的原因，有關(guān)電流放大器的研究大多針對具體的應(yīng)用問題，而系統(tǒng)地論述電流放大器的文獻(xiàn)還未見報道。

鑒于此，設(shè)計(jì)了一種基于電流模電路的、由寬帶I/V變換器、電流模電壓放大器以及寬帶壓控電流源三模塊直接耦合級聯(lián)而成的通用電流放大器，并通過仿真手段，給出了精度、輸出阻抗以及頻率特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1　電流放大器模型

電流放大器是一個雙端口網(wǎng)絡(luò)，其等效模型如圖1所示。激勵源用的是諾頓模型，也可以用戴維寧模型。對于模型中的輸入端口有

(1)

圖1　電流放大器模型

式中iS、RS分別為理想電流源的輸出電流與內(nèi)阻，Ri為電流放大器的輸入電阻。

由圖1和式(1)可見，當(dāng)Ri=0時,ui=0，ii=is，輸入電流與信源內(nèi)阻無關(guān)。因此，為了減小信源內(nèi)阻對電路的影響，使電流源的電流全部流進(jìn)電流放大器，電流放大器的輸入電阻應(yīng)盡可能小；對于輸出端口，電流放大器的輸出電流io為：

(2)

式中Ai為電流放大器的電流增益，uO、RO分別為電流放大器的輸出電壓和輸出電阻。為提高電流放大器的帶載能力，降低負(fù)載電阻對輸出電流的影響，RO應(yīng)趨于無窮大。當(dāng)RO趨于無窮大時，由式(2)可得:

iO=Aiii

(3)

這時，輸出電流與信源內(nèi)阻及負(fù)載電阻無關(guān)，僅由電路的電流增益決定。本文將圍繞如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)展開討論。

2　寬帶I/V變換器

電流放大器常用作微弱電流的放大，因此，作為電流放大器的第一級電路，如何提高其精度是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為此選用低失真、低噪聲的電流反饋型運(yùn)放THS3091設(shè)計(jì)I/V轉(zhuǎn)換器。I/V轉(zhuǎn)換器分為分流式放大器和反饋式放大器，反饋式放大器具有較低的輸入阻抗和較小的輸出偏移電壓。理想的電流放大器的電流增益應(yīng)不受信號源內(nèi)阻的影響而保持為常數(shù)，從而其輸入阻抗應(yīng)趨于0，因此，選用THS3091構(gòu)成反饋式放大器，如圖2所示。利用運(yùn)算放大器的輸入電壓約束條件(俗稱“虛短”)和輸入電流約束條件(俗稱“虛斷”)可以得出：

uO=-iiR1

(4)

圖2　I/V轉(zhuǎn)換器

上式是理想運(yùn)放下I/V變換器輸入電流與輸出電壓的比例關(guān)系。為減小失調(diào)電流IOS以及輸入失調(diào)電壓VOS對電路產(chǎn)生的影響，引入補(bǔ)償電路如圖3所示。圖中R2是調(diào)零電阻。其工作原理是基于將可調(diào)的電壓和電流加入到電路中，以補(bǔ)償電路的失調(diào)誤差。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是在輸入級不會引起任何額外失衡，因此不會使漂移、CMRR或PSRR性能下降[2]。由供電電壓作為基準(zhǔn)源，并通過高精度滑動變阻器產(chǎn)生的可調(diào)電壓VX，去抵消輸入的總失調(diào)誤差EI，實(shí)現(xiàn)調(diào)零,保證電路的精度。

圖3　I/V轉(zhuǎn)換改進(jìn)電路

電路的互阻增益為：

Aui=-R1

(5)

理論和實(shí)驗(yàn)表明,由電流反饋型運(yùn)算放大器構(gòu)成的I/V轉(zhuǎn)換器的帶寬與R1的取值關(guān)系密切，R1的值越大,電路的帶寬越窄[3],所以R1阻值不能過大,限制了電路的互阻增益。

表1給出了圖3所示電路當(dāng)輸入電流為nA數(shù)量級且R1為1 kΩ時輸入電壓的仿真數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)表明，輸入電阻約為0.05 Ω；互阻增益可以根據(jù)需要調(diào)整。因?yàn)殡娏鞣答佇瓦\(yùn)算放大器不受增益帶寬積為常數(shù)[4]的限制，具有較大的帶寬,精度優(yōu)于0.15%。I/V變換器模塊的幅頻響應(yīng)曲線如圖4所示(仿真結(jié)果),測得電路的-3 dB帶寬約為296.19 MHz。

圖4　I/V轉(zhuǎn)換器的幅頻響應(yīng)

3　電壓放大模塊

由于I/V轉(zhuǎn)換器的互阻增益受R1大小的限制不能取得太大,從而必須插入電壓放大模塊來調(diào)整電路的總增益。這里采用電流反饋型運(yùn)算放大器OPA603構(gòu)成電壓放大電路。

在I/V轉(zhuǎn)換器中，輸入電流與輸出電壓反相。為了保證電流放大器輸入、輸出電壓同相，電壓放大器采用反相放大方式。為了使電流放大器的電流增益可以

表1　I/V轉(zhuǎn)換器仿真數(shù)據(jù)(交流信號的頻率為1 kHz)

根據(jù)實(shí)際需要靈活調(diào)整，并具有較大增益，采用如圖5所示的反相比例運(yùn)算放大器級聯(lián)的方式。電路具有增益大、調(diào)整方便的特點(diǎn)。因?yàn)椴捎枚嗉壖壜?lián)方式，每級電路必須嚴(yán)格調(diào)零，通過精密可變電位器實(shí)現(xiàn)。

圖5　反相放大器

在圖5所示電路中，利用理想運(yùn)放輸入電壓約束條件和輸入電流約束條件可得到：

(6)

從式(6)中可以看出電壓放大器放大倍數(shù)可以通過調(diào)整電阻R1、R2的比值靈活地改變增益。在實(shí)際應(yīng)用中，通過多級級聯(lián)的方式可以使電路具有較大的增益。同時，因?yàn)椴捎秒娏鞣答佇瓦\(yùn)算放大器，電路的閉環(huán)帶寬僅僅依賴R2，如果取R2為千歐數(shù)量級的電阻，則閉環(huán)帶寬將達(dá)到100 MHz數(shù)量級[5]。

4　寬帶壓控電流源

在放大電路中引入電流負(fù)反饋，可以實(shí)現(xiàn)電壓-電流的轉(zhuǎn)換。本文采用基于Howland電流源、負(fù)載接地的實(shí)用電壓-電流轉(zhuǎn)換電路[6]。由集成運(yùn)放A1構(gòu)成的同相比例運(yùn)算電路與集成運(yùn)放A2構(gòu)成的電壓跟隨器構(gòu)成如圖6所示。

根據(jù)圖6電路，應(yīng)用KCL、KVL[7]及運(yùn)算放大器的輸入電壓約束條件和輸入電流約束條件可得：

uO1-uP2=ROiO

(7)

(8)

(9)

uO2=uP2

(10)

圖6　寬帶壓控電流源

其中uO1、uO2分別為運(yùn)放A1、A2的輸出電壓，uP1、uN1與uP2、uN2分別為運(yùn)放A1、A2的同相端與反相端電壓。聯(lián)立上式，且當(dāng)R1=R2=R3=R4時：

(11)

由式(11)可知，輸出電流與輸入電壓成正比，且只與RO有關(guān)，與負(fù)載無關(guān)，實(shí)現(xiàn)了輸入電壓到輸出電流的變換。

利用Multisim軟件對圖6所示的V/I轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行仿真，當(dāng)RO=1 kΩ，RL=100 Ω時，仿真結(jié)果如表2所示。當(dāng)負(fù)載電阻(拉電流負(fù)載)在200 Ω以內(nèi)時，電流源的精度為1.2%；-3 dB帶寬約為87.24 MHz，互導(dǎo)增益也可以根據(jù)需要調(diào)整。因?yàn)樵搲嚎仉娏髟茨K的輸出電阻及精度受RO的限制，所以如需進(jìn)一步提高精度和帶負(fù)載能力，可以適當(dāng)增大RO的值,互導(dǎo)增益會變小，可以增大前一級電路的電壓增益彌補(bǔ)整個電流放大器的增益。

表2　V/I轉(zhuǎn)換器仿真數(shù)據(jù)(交流信號的頻率為1 kHz)

注：理論值iO=ui/RO，RL在100 Ω～200 Ω間變化，表格中誤差為絕對誤差。

圖7　通用寬帶電流放大器

5　各模塊的級聯(lián)與結(jié)論

將上述三模塊直耦級聯(lián)，得到圖7所示電路。電路中的有源器件全部使用CFA(典型的電流模電路),從而其性能大大優(yōu)于由電壓模器件構(gòu)成的系統(tǒng)。測得電路的輸入電阻為0.13 Ω，輸出電阻為59 kΩ，電流增益為60 dB，實(shí)現(xiàn)了式(3)的功能，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

在調(diào)試電路時，由于電路為多級直接耦合結(jié)構(gòu)，前級的工作電壓(或電流)經(jīng)過放大后會影響后級電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致振蕩[8]。所以必須對每級電路分別精密調(diào)零。

本文論述的電路具有以下特點(diǎn)。

(1)采用三模塊結(jié)構(gòu)，電流增益可以根據(jù)需要靈活調(diào)整，調(diào)整范圍為40 dB～80 dB。仿真結(jié)果顯示，當(dāng)電流放大器的增益設(shè)置為典型值60 dB時，輸入1 μA、1 kHz的交流信號，輸出電流為0.996 5 mA。同時，受電流放大器輸出最大電壓小于供電電源的制約，負(fù)載的阻值與輸出電流的乘積應(yīng)該小于運(yùn)算放大器的供電電壓。

(2)通過選用電流反饋型運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)電路，不受電壓反饋型運(yùn)放增益帶寬積和有限壓擺率[9]的影響，提高了系統(tǒng)的帶寬，具有廣泛的應(yīng)用前景。仿真結(jié)果顯示，寬帶電流放大器的幅頻響應(yīng)如圖8所示，-3 dB帶寬約為40.56 MHz。

圖8　寬帶電流放大器的幅頻響應(yīng)

(3)采用精密、低失真、低噪聲的電流反饋型運(yùn)放THS3091設(shè)計(jì)輸入電路，精度較高。在實(shí)際應(yīng)用中如要進(jìn)一步提高其精度，可以在寬帶壓控電流源中引入誤差補(bǔ)償，進(jìn)一步改善其精度[10]。

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