文章簡要介紹了電流反饋和電壓反饋運算放大器的基本原理，從理論上分析了兩種運放的頻率等效模型，進而提出了提高運算放大器速度和帶寬的有效途徑。另外，文章還對高速運算放大器使用過程中的穩定性進行了簡要分析。

1 引言

運算放大器在電子系統中一直被廣泛運用于中/視/音頻信號處理。為了適應不斷提高的高速、寬頻信號采集或放大處理需求，盡一切努力提高運算放大器的速度和帶寬性能，一直是模擬IC開發廠商孜孜不倦追求的目標或理想。

隨著集成電路設計和工藝水平的不斷發展，高速/寬帶運算放大器，已成為運放家族中極為重要的分支，在各種電子領域得到了大量應用。

按其內部結構和基本原理，運算放大器可大致區分為常規的電壓反饋結構和較為新型的電流反饋結構。運算放大器面世的時間雖然較長，但電流反饋運放的基本原理和兩種類型運放的內部結構及其在使用時的差異，卻并不為普通電子設計師所熟悉。對比電流反饋和電壓反饋運算放大器，本文簡要介紹了兩種放大器的基本原理和頻率模型，提出了提高運算放大器速度和帶寬性能的有效途徑，并對其使用時的穩定性進行了簡要分析。

2 電壓反饋和電流反饋結構的對比

2.1 電壓反饋運算放大器

電壓反饋（VF）運算放大器，是對加在差分輸入端上的誤差電壓Ve（即Vp-Vn）進行放大的電壓放大器。設輸出電壓為Vo，則有如下關系：

Vo=a×Ve

式中，a是運算放大器的開環電壓增益。

電壓反饋型運算放大器簡化模型如圖1所示。

電壓反饋運算放大器的輸入級完成電壓至電流的轉換，一般采用共發射極對稱結構。同相端和反相端均為高阻輸入。中間放大級把電流轉換為電壓，并提供主要的電壓增益。輸出級為互補的發射極跟隨器，提供較強的電流輸出能力。圖2是一個典型的電壓反饋型運算放大器線路結構。

2.2 電流反饋運算放大器

電流反饋（CF）運算放大器是對加在反相輸入端上的誤差電流ie進行放大的跨阻放大器。設輸出電壓為Vo，有如下關系：

Vo=ie×Zt

式中，Zt是電流反饋運放的跨阻放大系數。

電流反饋型運算放大器簡化模型如圖3所示，反相輸入端相當于等效輸入緩沖器的輸出端，低阻輸入，接收電流信號進行誤差放大。

圖4是一個典型的電流反饋型運算放大器線路結構。電流反饋運放的輸入級不對稱，為AB類輸入結構。其同相端為共射互補輸入結構（高阻），反相端為共基互補輸入結構（低阻）。中間放大級的電流鏡和高阻單元不提供高的電壓增益，主要完成電流向電壓的轉換。它不采用共射放大形式，因而頻率特性好。而反相輸入端可通過反饋電流進行驅動，因此，器件可獲得高轉換速率和良好的頻率特性。輸出級采用AB類放大器輸出形式，具有較強的電流輸出能力和小的諧波失真，因而使器件可以獲得良好的交流動態性能。

3 運算放大器的頻率模型

3.1 電壓反饋運算放大器

電壓反饋運算放大器在作同相放大運用時，頻

率模型如圖5所示。有Vo=a×Ve=Ve×gm×（RC‖CC），

由RC‖CC=

，即電壓反饋運算放大器的開環增益a。

理想情況下，電路閉環電壓增益

，有

，此時的信號頻率，即運算放大器的-3dB帶寬，也就是電路的截止頻率，

，指電壓反饋放大器的閉環增益與閉環帶寬乘積保持恒定，這就是通常所說的增益帶寬乘積GBP。

3.2 電流反饋運算放大器

電流反饋運算放大器在作同相放大運用時，頻率模型如圖6所示。有Vo=ie×Zt=ie×（RC‖CC），由

即電流反饋運算放大器的跨阻Zt。

理想情況下，電路閉環電壓增益

，有

從上式可以看出：1）當2π f R2CC=1時，

，此時的信號頻率即運算放大器的-3dB帶寬，

電流反饋運算放大器的閉環增益與閉環帶寬已經沒有必然聯系。放大器的帶寬只與反饋電阻R2有關，而閉環增益則可以通過調節R1進行設置。另外，需要說明的是：電壓反饋和電流反饋運放的增益在開環放大狀態下都存在j2πfRCCC因子。因此，隨著信號頻率的增加，當該因子大于1以后，運算放大器的開環增益將會以-20dB/dec的斜率開始下降。

4 提高運算放大器速度/帶寬的有效途徑及穩定性分析

4.1 提高運算放大器的速度和帶寬

運算放大器的轉換速率，即壓擺率

式中，I1為輸入級工作電流。

由上式可以看出，提高運算放大器的轉換速率，可以采用兩種途徑：1）增加輸入級的工作電流;2）減小電路內部補償電容。

運算放大器的-3dB帶寬就是運算放大器在閉環工作情況下的截止頻率fc。從第3.1節和第3.2節的公式可以看出：無論是電壓反饋運算放大器，還是電流反饋運算放大器，減小電路內部的補償電容，對提高運算放大器的帶寬性能都具有決定性的意義。

4.2 運算放大器的使用及穩定性分析

4.2.1 電壓反饋運算放大器

電壓反饋運算放大器在進行穩定性設計時一般都具有單位增益穩定的特點。因此，在使用該類型運放時，無需在外圍考慮穩定　性補償設計。但是，正是這個特點限制了該類型運放速度、帶寬性能的進一步優化和提高。

4.2.2 電流反饋運算放大器

在使用電流反饋運算放大器時，外接負反饋電阻決定其工作的穩定性。反饋電阻取值越小，電路工作的信號帶寬越寬，但工作越不穩定，越容易自激。因此，為了保證運放工作穩定，反饋電阻的取值存在一個最小值。對于電流反饋運放，切不可采用輸出端與反相輸入端直接短接的使用方式形成電壓跟隨器，因為在這種條件下，運算放大器必定會振蕩。

總之，提高運算放大器的速度和帶寬，希望減小補償電容CC。但如果補償電容太小，容易導致器件自激振蕩，使電路工作很不穩定。另外，在電流反饋運算放大器的使用過程中，反饋網絡內引入電容也應慎重。因為它對電路的工作頻帶和工作穩定性的影響都非常大。

5 結束語

運算放大器是一種通用的模擬集成電路。隨著技術的不斷發展，在該領域產生了一些新的電路結構和設計理念。本文闡述的運算放大器的速度/帶寬設計原理和使用細節，無論是從運放的產品開發還是產品的應用角度，都具有較為實用的指導意義。

責任編輯：gt