電流帰還型オペアンプ（CFOAまたはCFA ）は、従来の電圧帰還型オペアンプ（VFOAまたはVFA）のように電圧ではなく電流に反転入力が感応する電子増幅器の一種です。バイポーラ接合トランジスタ（BJT）回路では電流が電圧よりも高速にスイッチングできるため、高速性と低歪み性に優れています。[1]
CFAは通常、VFAと同じピン配置で製造されるため、回路設計が許せば、配線を変更することなく両タイプを交換できます。線形アンプなどの単純な構成では、回路を変更することなくVFAの代わりにCFAを使用できますが、積分器などでは異なる回路設計が必要です。従来の4抵抗差動アンプ構成もCFAで使用できますが、同相除去比はVFAよりも低くなります。
歴史
CFAの1つは、コムリニア社のデイビッド・ネルソン氏によって発明され、1982年にハイブリッドアンプCLC103として初めて販売されました。CFAをカバーする初期の特許は、デイビッド・ネルソン氏とケネス・サラー氏による米国特許第4,502,020号（1983年出願）です。さまざまな特許が発行されていますが、基本的な概念は数十年前に確立されていました。1937年のフレデリック・ターマン氏による論文と1941年のスチュワート・E・ミラー氏による回路では真空管による電流フィードバックが使用され、1965年のベル研究所の高速アナログ-デジタル変換器用高速セトリングオペアンプではトランジスタが使用されていました。[1]集積回路CFAは、1987年にコムリニア社とエランテック社（設計者ビル・グロス氏）の両社によって発表されました。
手術
図示の回路図を参照すると、赤でマークされた部分が入力段とエラーアンプを構成しています。反転入力（Q1とQ2のエミッタが接続されているノード）は低インピーダンスであるため、電流の変化に敏感です。抵抗R1～R4は静止バイアス条件を設定し、Q1とQ2のコレクタ電流が等しくなるように選択されます。ほとんどの設計では、受動的な抵抗バイアスではなく能動的なバイアス回路が使用され、非反転入力も反転入力と同様に低インピーダンスになるように変更することでオフセットを最小限に抑えることができます。
信号が印加されていない場合、カレントミラーQ3/Q4およびQ5/Q6により、Q1とQ2のコレクタ電流が等しい場合、Q4とQ6のコレクタ電流も等しくなります。したがって、バッファの入力には電流が流れ込みません（等価的に、バッファの入力には電圧は発生しません）。実際には、デバイスの不整合によりコレクタ電流は不等となり、その差がバッファの入力に流れ込み、出力にオフセットが生じます。これは、入力バイアスを調整するか、オフセットゼロ調整回路を追加することで修正できます。
青でマークされたセクション（Q3～Q6）は、I-Vコンバータを形成します。Q1とQ2のコレクタ電流の変化（非反転入力の信号による）は、Q4とQ6のコレクタ接合部の電圧の等価変化として現れます。C sは、あらゆる動作条件において回路の安定性を確保するための安定化コンデンサです。CFAのオープンループ帯域幅が広いため、回路が発振するリスクが高くなります。C s は、特に低い閉ループゲインで動作している場合、発振が始まる可能性のある周波数を減衰させます 。
出力段（マゼンタ色）は電流ゲインを提供するバッファです。電圧ゲインは1（回路図では+1）です。
電圧帰還アンプの比較
内部補償型VFAの帯域幅は、内部のドミナントポール補償コンデンサによって支配されるため、ゲイン/帯域幅は一定に制限されます。CFAにもドミナントポール補償コンデンサはありますが、電圧フィードバックではなく電流フィードバックを使用するため、結果として得られるオープンループ応答は異なります。VFAの安定性は、オープンループゲインとフィードバックゲインの比に依存し、CFAの安定性は、オープンループトランスインピーダンスとフィードバック抵抗の比に依存します。VFAはゲイン/帯域幅に依存し、CFAはトランスインピーダンス/フィードバック抵抗に依存します。
VFAでは、動的性能はゲイン帯域幅積とスルーレートによって制限されます。CFAは、電流モード動作を重視した回路トポロジを採用しています。この電流モード動作は、浮遊ノード容量の影響を受けにくいため、電圧モード動作よりもはるかに高速です。高速相補型バイポーラプロセスを用いて製造することで、CFAはVFAよりも桁違いに高速化できます。これは主に、ほとんどのVFAがユニティゲインでの安定性を補償しているためです。非補償型VFAでもCFAと同等の速度を実現できます。CFAでは、増幅器のゲインを帯域幅とは独立して制御できます。これが、従来のVFAトポロジに対するCFAの主な利点です。[2]
CFAの欠点としては、入力オフセット電圧と入力バイアス電流特性が劣ることなどが挙げられます。さらに、DCループゲインは一般に約3桁小さくなります。CFAは反転入力電流ノイズが非常に高くなります。CFA回路では、最高の性能を得るためには、特定の値の帰還抵抗を使用する必要があります。帰還抵抗値が低いと、アンプが発振する可能性があります。CFA回路では、出力ピンと反転入力ピンの間に直接容量を挿入することは絶対に避けてください。これは多くの場合、発振につながります。CFAは、中程度の精度が求められる超高速アプリケーションに最適です。[3]
より高速なVFAの開発は現在も進められており、本稿執筆時点では低UHF帯域の利得帯域幅を持つVFAが利用可能です。一方、CFAはVFAよりも1オクターブ以上高い利得帯域幅を持つものも提供されており、利得帯域幅に非常に近い帯域で増幅器として動作することも可能です。
参照
電流帰還オペアンプは、電流制御電圧源 (CCVS) の一種です。
- トランスインピーダンスアンプ、理想的な電流制御電圧源（CCVS）
- ノートン増幅器、差動電流入力を備えた電流制御電圧源（CCVS）
- オペアンプと計装アンプ、電圧制御電圧源（VCVS）
- オペレーショナル トランスコンダクタンス アンプ、差動電圧入力を備えた電圧制御電流源 (VCCS)。
さらに読む
- 『電流帰還型オペアンプとその応用』Raj Senani、DR Bhaskar、VK Singh、AK Singh著、Springer Science+ Business Media、ニューヨーク、2013年ISBN 978-1-4614-5187-7https://www.springer.com/gp/book/9781461451877
- Ahmed M. Soliman教授による「電流帰還型オペアンプの応用」https://www.researchgate.net/publication/227165604_Applications_of_the_Current_Feedback_Operational_Amplifiers
- 「アナログ信号処理/信号生成回路の実現：電流帰還型オペアンプを用いた斬新な構成」、Raj Senani教授著、Frequenz: Journal of Telecommunications（ドイツ）、第52巻、第9/10号、196～206頁、1998年。https://www.researchgate.net/publication/260854255_Realization_of_a_Class_of_Analog_Signal_Processing_Signal_Generation_Circuits_Novel_Configurations_Using_Current_Feedback_Op-Amps
- FJ LidgeyとKhaled Hayatleh著「電流帰還型オペアンプとその応用」、Electronics and Communication Engineering Journal、9 (4)、pp. 176–182、1997年9月 https://www.researchgate.net/publication/3364493_Current-feedback_operational_amplifiers_and_applications
参考文献
- ^ ab ブライアント, ジェームズ; ユング, ウォルト; ケスター, ウォルト. 「オペアンプのアプリケーション」(PDF) .アナログ・デバイセズ. pp. 1.24 – 1.29 .
- ^ フランコ、セルジオ（2002年）『オペアンプとアナログ集積回路の設計』マグロウヒル社、293ページ、ISBN 0-07-232084-2。
- ^ フランコ、セルジオ（2002年）『オペアンプとアナログ集積回路の設計』マグロウヒル社、299頁。ISBN 0-07-232084-2。
- 「電流帰還アンプ」、Analog Devices Inc.の Erik Barnes 氏による
- 「誰でも使えるオペアンプ設計ガイド (Rev. B)」、Texas Instruments Inc.の Ron Mancini 著
