听说过电流反馈型运放吗？

对于运放，书本上往往只会讲到电压反馈型运放(Voltage Feedback Amplifier, VFA)， 相信大家都非常熟悉了，基本的原理就是将输入的差模电压信号放大到输出，我们一般打交道的最多的也就是这种运放，所以网上绝大多数的资料都是在讲电压型运放。而当我们初次使用电流反馈型运放(Current Feedback Amplifier, CFA)的时候，往往会感到非常懵逼，因为这玩意儿说实话内部结构有点反直觉，而且具有一些特有的性质，比如增益与带宽无关，作为单位反馈的时候反馈电阻不能直接接成0欧姆，否则你会调BUG到怀疑人生。但CFA也有其优势，比如带宽和压摆率具有与生俱来的优势，因此常常用于高频信号的场合。所以了解这样的运放到底和普通的运放有什么不同才能帮助我们更好的使用它！如果你还有兴趣，就耐心看下去吧！作为科普性的文章， 本文不会太难，不过我会尽力让大家有一个直观的认识，相信我，没有什么复杂的公式！

1. 基本概念

如果要完全讲清楚这部分内容，其实需要大量的数学公式推导。相信大家都不太爱看数学公式，我也是，公式看多了头发顶不住。而且，太复杂的公式推导也不能建立起来我们对于这个系统的感性认识。所以我准备基于系统控制的最基本理论来尝试讲清楚所谓电流反馈型和电压反馈型运放到底原理区别是什么样的。为此，我需要先做一些要用到的基本概念的铺垫。也就是下面的这张图了

相信大家对这张经典的闭环控制框图不会陌生，其中，输入信号为θi ，输出为θo，误差为θe ，前向增益为A(s) ，反馈增益为F(s) ，环路增益为A(s)F(s) 。整个闭环网络的增益表达式如下所示，这可能是这篇文章中你唯一需要用到的公式！

那么重点来了，其实电压反馈型运放和电流反馈型运放都可以用这样的控制框图来理解。而对于电压型反馈型运放，其对应的控制框图中输入信号、反馈信号以及误差信号均为电压！对于电流反馈型运放，其对应的控制框图中输入信号、反馈信号以及误差信号都为电流，我理解的这就是两种运放的本质区别。请注意，两种开环架构都实现了相同的闭环结果：差分输入电压为零，输入电流为零。理想的电压反馈放大器具有高阻抗输入，从而导致零输入电流，并使用电压反馈来维持零输入电压。相反，电流反馈运算放大器的输入阻抗低，导致差模输入电压为零，并使用电流反馈来保持零输入电流，所以两种运放都是满足虚短与续断的外部特性的。其实就是一种对偶的关系，我感觉还蛮有意思的！

2. VFA与CFA推导

看完了基本的概念，我们还是得回到具体的电路逻辑是什么样的。这一小节我们看看两种运放的内部结构，并来推导一下两种运放的传递函数。虽然是推导，但是很简单，只需要用到上面提到的唯一的公式就够了。拒绝公式，从我做起。

电压反馈型运放

首先回顾熟悉的电压反馈型运放的基本结构。如下图所示，输入的信号减去反馈的信号，误差被放大 A(s)A(s) 倍得到输出 VoV_o 。

紧紧抓住VFA中的信号为电压这一点，画出他的系统框图如上面的右图所示。根据这个系统框图，再利用环路的增益公式直接套用，可以很容易求出系统的传递函数为

所以当前向增益 A(s)A(s) 非常大的时候，可以得到系统的闭环增益基本与反馈网络F直接相关。此外，稍微整理下上面的式子我们得到

所以F影响着 AclA_{cl} 的分母部分，同时也影响了闭环的增益1/F。所以对于电压反馈型运放，闭环增益与环路增益的表达式是通过反馈网络互相耦合的，这也是电压反馈型运放具有增益带宽积的本质原因。

另一方面，我们来看电流反馈型运放，示意图如下图所示。

其结构就有点反直观了，不过，牢记一点，从电流出发就能很好的理解这个电路。输入信号连接到运放正输入端，经过一个buffer，以及一个很小的buffer输出电阻直接连接到负输入端。这里buffer的增益近似为1，buffer输出阻抗近似为0，所以我们在后面的分析中，为了简单忽略掉。然后在这条之路上的电流会被内部一个电流镜像到输出，乘以一个阻抗网络Z(s) 之后，最后经过电压buffer得到输出。所以输出电压实际上与输入端的电流直接相关。而根据叠加原理，这条支路上的电流实际上是输入电压的电流响应和反馈电压的电流响应之差！所以说，电流反馈型运放反馈的是电流信号，放大的也是电流信号，最后，误差电流信号会经过一个阻抗网络Z(s) 将放大的电流信号再次转换为电压。

对于这个系统，直接推导闭环的增益还是不如画出系统框图来的快。不过在画框图之前我们得明确，既然CFA中的信号应该是电流信号，那么输入的电流是什么，反馈电流是什么。很简单，输入电流是Vin在R1与R2 的并联网络上的电流，反馈电流是Vout在Rf上的电流（此时Rg被输入短路了）。所以我们得到上图右侧的框图。这个框图相较于VFA增加了输入的一个增益部分，这个可以视为一个导纳网络。将输入的电压信号转换为电流信号，再与反馈电流作差。值得注意的是，反馈系数中只与RfR_f 有关，因为在分析输出电压在输入之路上的电流响应的时候，等效电路中，Rg被输入给短路掉了。因此，系统的增益等于

当阻抗网络Z(s)足够大的时候，此时增益与电压型运放增益无异！

3. CFA特性分析

可能我们会听说一些概念，比如电压反馈型运放具有增益带宽积，而电流反馈型则没有这个概念；电流反馈型运放具有更高的带宽和输出压摆率；电流反馈型运放精度不如电压型。但是如果不清楚二者的为什么会有这样的差异，仅仅是记住这样的概念肯定是毫无意义的。好在，理解起来并不难！且听我慢慢分析。

为何电流反馈型运放没有增益带宽积

这里我们将VFA和CFA的闭环传递函数整理一起，看看他们的表达式有什么区别，这里只是总结了一下前面的公式，没有新的东西。

尽管二者的低频增益都等于1/F，但对于VFA，系统分母与F直接相关，换句话而言就是对于VFA，其增益与带宽互相couple，一一对应，这是VFA增益带宽积的本质原因。而CFA分母仅仅与Rf有关。这就为CFA的使用提供了更多的一个维度，Rf决定带宽，Rf与Rg共同决定增益。

为什么电流反馈型运放带宽更高，压摆率更高

其实琢磨这个问题也蛮有意思的，也涉及到芯片内部系统设计的问题。作为外行只能大概凑凑热闹，不过管中窥豹也是挺有意思的，这里简单说一说我自己的理解。我找来了opa192的这么一款运放的幅频和相频曲线，如下所示

可以看到，在其带宽范围内，基本就是一个单极点系统，而且这个极点位置非常低，基本只有几Hz。这是由于，为了保证精度，运放增益需要做到非常大，所以不可避免运放需要多级的结构，而每一级都会引入新的极点。当带宽范围内极点数量大于1个之后（暂时不讨论零点的事情），带宽范围内就难以保证足够的相位裕度，尤其是在单位增益的频率处，相位裕度是最低的。

而电压跟随器就是运放的一种常见接法，此时反馈系数等于1，根据增益带宽积的概念，环路的增益A(s)F=A(s)，即等于运放的增益，如果运放增益带宽范围有两个极点及以上的极点，在单位增益的位置相位裕度就会很小甚至为负，导致系统稳定性差的。

所以，一方面，带宽内不允许多个极点出现，一方面，为了低频增益足够大，又必须使用多级放大结构，难以避免会引入多个极点。为了解决这一问题，电压型运放内部都会有内部补偿(Internal Compensation)，比如常见的米勒电容补偿，通过极点分裂(Pole Splitting)的效应来人为拉低主极点，拉远非主极点。如下图中的C1就是米勒补偿电容（这里只能找到LM741的内部图来解释一下）

这个电容的效果是把主极点往低频去推，把主极点往高频推（一般刚好把次主极点推到开环带宽的地方，使得带宽位置刚刚好又45°的相位裕量）。所以，这样的补偿实现了系统开环带宽内稳定，代价则是降低了带宽（因为主极点跑到低频去了）。

另一方面，对于电流型运放，前面推导了，其环路增益仅仅是与反馈电阻有关的，与反馈系数没有关系，所以运放的生产商的工程师会测试芯片在不同的反馈电阻Rf的情况下的幅频特性和相频特性，来折衷取一个带宽高且稳定的参数，并写在Datasheet作为推荐。用户只需要再根据自己需要用到的增益来设定Rg即可。所以运放在设计的时候就不需要以内部补偿的形式保证环路的增益稳定，或者说仅仅部分补偿即可。所以这就意味着CFA是比VFA的带宽要高。

那么可能有的朋友就要问了，是不是电压型运放我也可以只做部分补偿，从而提高带宽。答案是yes。比如我找到一款带宽非常高的运放，OPA855。这一款的增益带宽积可以做到8G，简直就是怪物的存在，不过他也是有所牺牲的，比如低频增益只有80，就明显不如OPA192的130dB，而且在环路内是不稳定的。因此，这样的运放就需要用户对于运放足够的了解，否则就会出现意想不到的“惊喜”~

总结

罗里吧嗦地说了一大堆，还是得小结一下。主要就是从系统的角度谈了一下电压反馈型运放和电流反馈型运放的本质区别，推导了增益关系并分析了为什么电流反馈型运放具有更高的带宽并且没有增益带宽积的概念。文章内容已经很长了，本来想再聊一聊VFA和CFA运放的内部结构细节，比如输入端的区别之类的，还有CFA的精度问题等等，只能留到以后和大家分享啦~

本文转自知乎，作者其遇，版权归原作者所有，仅供大家学习。

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