انتخاب میان آپ امپ های فیدبک ولتاژ و فیدبک جریان

انتخاب بین آپ امپ‌های فیدبک ولتاژ (VFB) و فیدبک جریان (CFB)

مزایای استفاده از فیدبک ولتاژ و فیدبک جریان متفاوت است. در بسیاری از کاربردها، تفاوت بین آپ امپ فیدبک ولتاژ (VFB) و آپ امپ فیدبک جریان (CFB) به راحتی مشهود نیست. بسیاری از تقویت‌کننده‌های VFB و CFB سرعت بالا امروزه عملکرد قابل مقایسه دارند، اما مزایای و معایب مشخص منحصربفرد مرتبط با هرکدام از آنها وجود دارد. این آموزش برخی از عوامل مهم مرتبط با این دو شکل ساختاری را بررسی می‌کند.

ملاحظات جریان مستقیم (DC) و عملیاتی برای آپ امپ‌های VFB و CFB

آپ امپ‌های VFB

برای کاربردهای فرکانس پایین دقیق که به بهره حلقه باز بالا نیاز دارند، به دلیل ولتاژ آفست پایین و جریان تغذیه کم، آپ امپ VFB انتخاب مناسبی است. ولتاژهای آفست ورودی آپ امپ‌های VFB ورودی دوقطبی سرعت بالا به‌ندرت تنظیم می‌شوند، زیرا انطباق ولتاژ آفست طبقه ورودی عالی است، و معمولا از 1 تا 3 میلی‌ولت، با ضرایب دمایی آفست 5 تا 15 میکرو ولت بر درجه سانتی‌گراد (μV/°C) تنظیم می‌شوند. با تنظیم دقیق، ولتاژهای آفست ورودی کم‌تر از 20 میکروولت قابل دست‌یابی هستند. آپ امپ‌هایی که از معماری صفر خودکار استفاده می‌کنند ولتاژهای آفستی کم‌تر از 5μv دارند، اما در اینجا بررسی نخواهند شد. به منظور آشنایی با این آپ امپ ها به این آموزش مراجعه کنید.

جریان‌های تغذیه ورودی در آپ امپ‌های VFB (بدون مدارهای جبران جریان تغذیه ورودی) تقریبا در ورودی‌های (+) و (-) برابر هستند، و گستره‌ای از 1 تا 5 میکروآمپر دارند. آپ امپ‌های ورودی اثرمیدان موجود با جریان‌های بایاس ورودی کم‌تر از 200 فمتوآمپر برای کاربردهایی مانند برق‌سنج‌ها مناسب هستند (به عنوان مثال AD549).

ولتاژ آفست خروجی ناشی از جریان‌های تغذیه ورودی می‌تواند با ایجاد مقاومت منبع موثر مشابه در هر دو ورودی معکوس‌کننده و غیرمعکوس‌کننده صفر شود. این طرح برای آپ امپ‌های VFB جبران‌شده با جریان تغذیه، که مولدهای جریان اضافی در ورودی‌های خود دارند، کار نخواهدکرد. در این حالت، جریان‌های تغذیه ورودی خالص لزوما برابر یا از قطبیت مشابه نیستند.

آپ امپ‌های VFB در کاربردهایی که شبکه فیدبک پاسخ کلی را کنترل می‌کند، مانند کاربردهای فیلتر فعال بسیار مفید هستند. برخی آپ امپ‌های VFB، با این وجود، جبران‌نشده هستند و باید بالاتر از حداقل بهره حلقه باز مشخص‌شده استفاده شوند.

این الگوی ساده برای آپ امپ VFB بخوبی قابل درک است و در همه کتاب‌های الکترونیک آنالوگ ارایه می‌شود.

معماری VFB برای کاربردهای ولتاژ منبع پایین که به ورودی‌ها و خروجی‌های ریل تا ریل نیاز دارند، مناسب است.

آپ امپ‌های CFB

از سوی دیگر، آپ امپ‌های فیدبک جریان کم‌تر مورد مطالعه قرارگرفته اند. بسیاری از طراحان به سادگی آپ امپ‌های VFB را انتخاب می‌کنند زیرا آنها بهتر قابل درک هستند.

بطورکلی آپ امپ‌های CFB بهره حلقه باز و دقت کم‌تری از آپ امپ‌های VFB دقیق دارند.

امپدانس ورودی ورودی‌های معکوس‌کننده و غیرمعکوس‌کننده آپ امپ‌های CFB یکسان نیستند، و آپ امپ‌های CFB بطورکلی جریان‌های تغذیه نابرابر و ناهمبسته دارند زیرا ورودی‌های (+) و (-) معماری‌های کاملا متفاوت دارند. از این‌رو، طرح‌های حذف جریان تغذیه خارجی نیز موثر نیستند. گستره جریان‌های تغذیه ورودی CFB از 5 تا 15 میکرو آمپر است، که در ورودی معکوس‌کننده بزرگ‌تر است.

از آنجایی‌که آپ امپ‌های CFB بطورکلی برای یک مقدار مقاومت فیدبک ثابت بهینه می‌شوند، غیر از ترکیب بهره حلقه بسته انعطاف‌پذیری کمی در شبکه فیدبک وجود دارد. این موضوع آپ امپ‌های CFB را برای اکثر فیلترهای فعال، بجز فیلتر سالن-کی که می‌تواند با مقاومت فیدبک ثابت مناسب طراحی شود، نامناسب می‌سازد. در زیر ملاحظات جریان مستقیم (DC) و عملیاتی را برای آپ امپ‌های VFB و CFB را بطور مختصر بیان شده اند.

معماری CFB برای ورودی‌های و خروجی‌های ریل تا ریل مناسب است.

آپ امپ‌های VFB

بهره حلقه باز و دقت جریان مستقیم (DC) بالا
ولتاژ آفست پایین در دسترس (<μV 20)
جریان تغذیه پایین (FET، CMOS، یا جبران جریان تغذیه) دردسترس (<fA200)
امپدانس ورودی متعادل
شبکه فیدبک انعطاف‌پذیر
خروجی‌ها و ورودی‌های ریل تا ریل دردسترس

آپ امپ‌های CFB

بهره حلقه باز و دقت جریان مستقیم (DC) پایین‌تر
ولتاژ آفست بالاتر
امپدانس ورودی معکوس‌کننده پایین است، امپدانس ورودی غیرمعکوس‌کننده بالا است.
جریان تغذیه به کمی جریان VFB یا همسان با آن نیست.
مقاومت فیدبک ثابت موردنیاز برای عملکرد بهینه

ملاحظات AC برای آپ امپ‌های VFB و CFB

آپ امپ های VFB

یک ویژگی متمایز آپ‌امپ‌های VFB این است که آنها در یک گستره فرکانسی وسیع حاصلضرب بهره- پهنای باند ثابتی دارند.
علاوه بر این، آپ‌امپ‌های VFB با پهنای باند بالا، نرخ تغییرات سرعت بالا، اعوجاج پایین دردسترس هستند که از معماری «پل-H» برای جریان غیرفعال پایین استفاده می‌کنند.
آپ‌امپ‌های VFB به دلیل انعطاف‌پذیری شبکه فیدبک برای تمام انواع معماری‌های فیلتر فعال خوب هستند.

آپ امپ های CFB

شکل ساختاری CFB عمدتا در جایی‌ بکاربرده می‌شود که در پهنای باند بالا نرخ تغییرات سرعت بالا و اعوجاج پایین موردنیاز است. اطلاعات بیش تر در مورد ویژگی های AC آپ امپ های CFB در این آموزش بیان شده است.
برای پردازش IC دوقطبی مکمل مذکور، بطورکلی برای مقدار مشابه جریان منبع غیرفعال FPBW،CFB بالاتر و بنابراین اعوجاج پایین‌تری از VFB ایجاد می‌کند. این بدان دلیل است که در CFB عملا محدودیتی در نرخ تغییرات سرعت وجود ندارد. به این دلیل، پهنای باند توان کامل و پهنای باند سیگنال کوچک تقریبا مشابه هستند. به هرحال، معماری «پل-H» مورد استفاده در آپ‌امپ‌های VFB سرعت بالا تقریبا سطح عملکرد مشابه آپ‌امپ‌های CFB دارد.
برخلاف آپ‌امپ‌های VFB، امپدانس ورودی معکوس‌کننده یک آپ امپ CFB بسیار پایین است. این امر هنگام استفاده از آپ امپ در حالت معکوس‌کننده به عنوان یک مبدل جریان به ولتاژ (I/V) مفید است، زیرا نسبت به VFB حساسیتی کم‌تری به ظرفیت ورودی معکوس‌کننده دارد.
پهنای باند حلقه بسته یک آپ امپ CFB توسط مقدار یک خازن داخلی و مقاومت فیدبک خارجی تعیین می‌شود و تقریبا مستقل از مقاومت تنظیم بهره (مقاومت از ورودی معکوس‌کننده به زمین) است. این امر آپ امپ‌های CFB را برای کاربردهای بهره قابل برنامه‌ریزی که به یک پهنای باند مستقل از بهره نیاز دارند ایده‌آل می‌سازد.
از آنجایی‌که آپ امپ‌های CFB برای پایداری مطلوب باید با مقاومت فیدبک ثابت کار کنند، به غیر از فیلتر سالن-کی، کاربردهای محدودی به عنوان فیلترهای فعال دارند.
مقادیر کوچک ظرفیت خازنی پراکنده در راستای مقاومت فیدبک در یک آپ امپ CFB احتمالا موجب ناپایداری می‌شوند.

ملاحظات AC برای CFB و VFB در زیر بطور مختصر بیان شده اند.

آپ امپ های VFB

حاصلضرب بهره-پهنای باند ثابت
نرخ تغییرات سرعت بالا و پهنای باند بالا
اعوجاج کم
شبکه فیدبک انعطاف‌پذیر
مناسب برای فیلترهای فعال

آپ امپ‌های CFB

پهنای باند تقریبا ثابت برای بهره‌های حلقه بسته مختلف
حاصلضرب پهنای باند-بهره ثابت نیست
نرخ تغییرات سرعت و پهنای باند کمی بالاتر برای فرآیند داده‌شده و اتلاف توان (در مقایسه با VFB)
اعوجاج کم
مقاومت فیدبک ثابت برای عملکرد ایده‌آل
خازن فیدبک پراکندگی موجب ناپایداری می‌شود
استفاده در فیلترهای فعال بجز سالن-کی دشوار است
امپدانس ورودی معکوس‌کننده پایین تاثیرات ظرفیت خازنی ورودی در کاربردهای مبدل‌ I/V را کاهش می‌دهد.

ملاحظات نویز برای آپ امپ‌های VFB و CFB

آپ امپ‌های VFB

آپ امپ‌های VFB دقیق با نویز ولتاژ ورودی کم‌تر از 1nA/√Hz در دسترس هستند. اکثر آپ امپ‌های VFB ورودی JFET یا CMOS نویز جریان ورودی کم‌تر از 100fA/√Hz، و برخی کم‌تر از 1fA/√Hzدارند. با این‌حال، کل نویز خروجی نه تنها به این مقادیر بلکه به بهره حلقه بسته و مقادیر واقعی مقاومت‌های فیدبک بستگی دارد.
برای یک آپ امپ‌ VFB، نویز جریان ورودی معکوس‌کننده و غیرمعکوس‌کننده معمولا یکسان هستند، و تقریبا همیشه ناهمبسته هستند. مقادیر معمول برای آپ امپ‌های VFB دوقطبی پهن بانددر گستره 0.5fA/√Hz تا 5fA/√Hz هستند. نویز جریان یک طبقه ورودی دوقطبی هنگامی‌که مولد‌های جبران جریان تغذیه ورودی اضافه می‌شوند، افزایش می‌یابد زیرا نویز جریان آنها همبسته نیست، و بنابراین به نویز جریان ذاتی طبقه دوقطبی اضافه می‌شود. با این‌حال، جبران جریان تغذیه به ندرت در آپ امپ‌های سرعت بالا استفاده می‌شود.

آپ امپ‌های CFB

نویز ولتاژ ورودی آپ امپ‌های CFB کم‌تر از آپ‌امپ‌های VFB با پهنای باند تقریبی یکسان است. این بدین دلیل است که طبقه ورودی آپ‌امپ‌ CFB معمولا در جریان بالاتری کار می‌کند، بنابراین مقاومت امیتر و در نتیجه نویز ولتاژ کاهش می‌یابد. مقادیر معمول برای آپ‌امپ‌ CFB از حدود 1nA/√Hz تا 5 تغییر می‌کنند.
به‌هرحال، نویز جریان ورودی آپ امپ‌های CFB به دلیل سطوح جریان تغذیه بالاتر، بزرگ‌تر از آپ‌امپ‌های VFB است. نویز جریان معکوس‌کننده و غیرمعکوس‌کننده یک آپ امپ‌ CFB به‌دلیل معماری ورودی منحصربفرد معمولا متفاوت است، و بطور جداگانه مشخص می‌شوند. در اکثر موارد، نویز جریان ورودی معکوس‌کننده بزرگ‌تر از این دو است. نویز جریان ورودی معمول برای آپ امپ‌های CFB از 40PA/√Hz تا 5 تغییر می‌کند. این نویز اغلب می‌تواند غالب باشد، بجز در مواردی که بهره حلقه بسته بسیار بالا است که در آن نویز ولتاژ غالب می‌شود.

بهترین روش برای محاسبه نویز نوشتن یک برنامه صفحه گسترده کامپیوتری ساده است که محاسبات را بطور خودکار انجام می‌دهد، و تمام منابع نویز را دربرمی‌گیرد.

ملاحظات نویز برای CFB و VFB در زیر بطور مختصر بیان شده اند.

آپ امپ‌های VFB

نویز ولتاژ پایین (< nV/√Hz 1)
نویز جریان پایین (ورودی‌های JFET و CMOS)
نویز جریان ورودی معکوس‌کننده و غیرمعکوس‌کننده برابر و ناهمبسته
شبکه فیدبک و مقادیر مقاومت خارجی باید برای تعیین کل نویز بررسی شوند

آپ امپ‌های CFB

نویز ولتاژ پایین (5nA/√Hz تا 1 )
نویز جریان بالاتر (40nA/√Hz تا 5 ) اغلب غالب است
شبکه فیدبک و مقادیر مقاومت خارجی باید برای تعیین کل نویز بررسی شوند

خلاصه

برای بیش‌تر اهداف عمومی یا فرکانس پایین با دقت بالا، کاربردهای نویز پایین، آپ امپ‌ VFB معمولا بهترین انتخاب است. همچنین آپ‌امپ‌های VFB در کاربردهای تک منبع بخوبی عمل می‌کنند زیرا بسیاری از آنها با با ورودی‌ها و خروجی‌های ریل تا ریل در دسترس هستند.

آپ امپ‌ VFB یک شبکه فیدبک انعطاف‌پذیر دارد، و درنتیجه برای طراحی فیلترهای فعال مناسب است.

آپ امپ‌ CFB حداکثر پهنای باند، نرخ تغییرات سرعت و اعوجاج را به ازای عملکرد جریان مستقیم، نویز و نیاز به یک مقاومت فیدبک ثابت فراهم می‌کند. کاربرد آپ امپ‌های‌ CFB در فیلترهای فعال به پیکربندی‌های غیرمعکوس کننده همانند سالن-کی محدود می‌شود.