这一篇在干嘛?

电流反馈放大器(CFA,Current-Feedback Amplifier)扔掉了传统差分输入结构,换来高带宽和高压摆率。这一章建立 CFA 模型、推导它的稳定性方程,讲透两件事:为什么它没有恒定增益带宽积,以及为什么反馈电阻 R_F 的取值碰不得。

CFA 长什么样:两个缓冲器加一个跨阻

CFA 没有 VFA 那样的差分输入对,而是”输入缓冲器 + 跨阻 + 输出缓冲器”三段式。

电流反馈放大器模型

  • 同相输入端:接输入缓冲器(unit-gain buffer)的输入,阻抗很高,类似双极管 VFA 的同相输入。
  • 反相输入端:接输入缓冲器的输出,阻抗等于缓冲器输出阻抗,非常低。用 Z_B 建模,通常小于 50 Ω。这个 Z_B 高频时会捣乱,不能忽略。
  • 跨阻 Z(transimpedance):一个电流控制电流源,把反相端流进的误差电流转换成输出电压。跨阻在 CFA 里的角色 = 增益在 VFA 里的角色,通常高达 MΩ 级,CFA 靠闭合反馈环从这个高跨阻里”赚”精度。
  • 输入/输出缓冲器增益都近似为 1,分析时可忽略;输出缓冲器的输出阻抗一般也可忽略(驱动极低阻抗或容性负载时才需要考虑)。

一句话总结:CFA 用牺牲精度(无参数匹配、无共模抑制)换来带宽和压摆率;它的带宽对闭环增益相对不敏感,压摆率也远超 VFA,因为其结构允许输出级持续输出转换电流直到输出到位。所以 VFA 主打精密与通用,CFA 主打 100 MHz 以上高频应用,且能直流耦合工作到 GHz 级。

稳定性方程的推导

老规矩:稳定性与输入无关,只看环路增益。在 X 点剪环,注入 V_TI,量 V_TO。

稳定性分析电路:在 X 点剪环

代入 CFA 模型的稳定性分析电路

跨阻把误差电流变成电压:

测试电压按 KVL 写在反馈网络与 Z_B 上:

两个支路电流按节点分流关系挂钩:

联立 8-2、8-3:

相除得到 CFA 的环路增益——这是全章最重要的公式

读法:环路增益 = 跨阻 Z 除以”反馈电阻乘一个小修正因子”。稳定性由 Z、Z_B、Z_F、Z_G 四个量决定——注意闭环增益(Z_F/Z_G 的比值本身)只通过修正因子里的并联组合轻微出现。

同相 CFA

同相 CFA 电路

三个基本方程:跨阻传递、反相节点电流、输入回路电压:

联立得到含 Z_B 的完整闭环增益:

当 Z_B→0(理想缓冲器)时大幅化简:

当跨阻 Z 又非常高时,Z_F/Z 项趋于零,得到 CFA 的理想闭环增益方程

和 VFA 一模一样!但请注意达成理想的假设数量不同:VFA 只需”开环增益极高”一个假设;CFA 需要”跨阻极高”+“缓冲器输出阻抗极低”两个假设。两个假设总比一个难同时满足,所以 CFA 偏离理想更远——这就是它精度不如 VFA 的数学根源。

反相 CFA

反相 CFA 电路

反相接法很少用,原因在输入阻抗:反相输入端阻抗约为 Z_B∥(Z_F+Z_G),天生很低。选大 Z_G 压过 Z_B?那 Z_F 也得大(保证至少单位增益),大 Z_F 又牺牲带宽。选小 Z_G?频率敏感的 Z_B 会让增益随频率上漂。两头受限。

节点电流方程(I 是缓冲器灌入的误差电流):

哑变量定义与传递方程:

联立得完整闭环增益:

Z_B→0 时化简: