5.4 - 运算放大器：带宽 4

大家好 欢迎来到 TI Precision Labs 德州仪器高精度实验室 本次视频将介绍 运算放大器的 Bandwidth 带宽的第四部分 我们将讨论五个带宽相关的主题 第一 深入讨论 Aol 曲线的斜率 如何影响增益带宽 第二 为何运算放大器的输入电容能够限制带宽 第三 如何计算放大器电路的实际增益与带宽 第四 如何运用 feedback capacitor 来限制电路的带宽 第五 了解 slew rate 即压摆率 它是如何影响不同带宽的响应的 我们已经很详细的讨论了增益带宽积 我们知道只有当 AOL 曲线的斜率 为 -20dB/dec 时是有效的 不幸的是有时增益带宽积 是有效还是无效不是很明显 下面由 OPA209 数据表的增益带宽积规格 典型的增益带宽积列出当增益为 1V/V 时 带宽为18MHz 但是其它闭回路增益的带宽呢 数据表中我们有开回路增益 相位曲线与频率 开回路增益曲线似乎是线性的 以 -20dB/dec 的恒定速率下降 因此大家可能会认为增益带宽积 适用于所有增益 然而仿真和实际测量将表示 这假设是不正确的 为什么呢先前我们假设开回路增益曲线有 -20dB/dec 的恒定斜率 然而我们发现由于有一对零点极点 在 1MHz 和 10MHz 之间 AOL 曲线有一个转折 接近以 1MHz 的极点 在很小的频率范围内 造成开回路增益下降的斜率大于 -20dB/dec 不过极点很快速地被零点补偿 由于对数坐标是不可能 在 AOL 曲线看到这个小弯曲的 事实上 此弯曲可能比曲线的厚度还小 在曲线的弯曲处放大 你会发现 1V/V 的增益下 增益带宽为 18MHz 但当闭回路增益大于 20dB 带宽增大到 23.7 MHz 然而发现 AOL 曲线的弯曲是困难的 在相位曲线发现零点极点较为明显 请注意 在 1MHz 附近的相位曲线倾角 这是由于有零点极点对的缘故 因此建议大家 除了检查运算放大器数据表中的增益曲线 也要检查相位曲线 这两条曲线 描述增益带宽积是如何随频率 闭回路增益变化 请注意在 0dB 或 1V/V 的闭回路增益时 在数据表所列增益带宽积为 18MHz 当闭回路增益增加 带宽增加至 23.7MHz 最终这个讨论学习到三件事情 第一 看到增益带宽在不同闭环回路增益有些偏差 是不常见的 是不常见的 而该偏差量将取决于放大器而异 第二 寻找一个零点极点 相位曲线是关键 第二 寻找一个零点极点 相位曲线是关键 所以除了检查开回路增益曲线 也要检查相位曲线 最后不要指望在数据表中列出带宽性能的确切性 因为典型带宽规格在不同的制程 约有正负 30% 和不同的温度下正负 30% 的变异 因此强烈建议设计时对 Bandwidth 要留显著的裕度 至此 我们已经看到 运算放大器的增益带宽如何限制带宽 然而在某些情况下 其它因素也可能影响带宽 此页着重于输入电容对带宽的影响 所有运算放大器有差模和共模输入电容和阻抗 这种寄生电容是由于输入极电晶管的 半导体界面造成的 差模电容之间连接到两个输入端 共模电容被连接在各输入相对于交流接地 表格上通常显示了输入电容 在这个例子中 差模电容是 1.6pF 以及共模电容是 6.4pF 输入电容都比较小 所以你是不可能会看到带宽的限制 除非输入信号源具有大的串联电阻 在这个例子中 信号源电阻是比较大的 1M 欧姆 源电阻和共模输入电容组成低通滤波器 对应的截止频率为 24.87kHz 请注意 差模电容和反相输入端的共模电容 未包括在带宽计算 这是因为运算放大器的回授消除了这些电容 输入电容是 TI 的运算放大器模型的一部分 所以让我们来看看仿真的结果吧 此页是显示了 OPA192 交流传输特性 根据元件的增益带宽和 100V/V 的闭回路增益 我们预估带宽为 100kHz 但是我们的仿真只产生 24.46kHz带宽 这种差异是由于 1M 欧姆源电阻 和 6.4pF 共模输入电容构成的低通滤波器 在这个例子中 24.87kHz 手算带宽 与仿真 24.6kHz 的带宽相近 现在让我们讨论 如何计算运算放大器电路的实际增益 假设一个放大器电路的闭回路增益是定值 直到它开始在截止频率处下降 现实中闭回路增益在截止频率之前开始降低 通过这种衰减的误差通常是不可预期的 闭回路增益在任何频率可使用此公式 其中 f 表示频率 Gcl_dc 表示 DC 闭回路增益 fdom 表示主极点 β 表示回授因子 Aol_dc 表示 DC 开回路增益 让我们将这个公式应用于 OPA192 电路 闭回路直流增益是使用 126 分贝 这是 OPA192 数据表中的 AOL 规范 回授系数或 β 从 OPA192 电路中计算 主极点适用此方程式计算 于先前的带宽视频有提及 现在我们已经计算出闭回路直流增益和主极点频率 我们可以使用给定公式 来计算 10kHz 的闭回路增益 注意 电路带宽为 100kHz 因此 10kHz 时是稳定的放大器带宽 此例子中手算的闭回路增益是 99.5V/V 与仿真的闭回路增益 95.56V/V 相符 计算闭回路增益 DC 产生 99.995V/V 更接近 100V/V 理论值 因此我们可以得出结论 随着频率的增加 当你接近截止频率时 闭回路增益减少 所以如果需要设计一个在高频精确的增益 截止频率应相对应增加 到目前为止 确定电路的带宽时 我们已考虑内部运算放大器的规格 如增益带宽和输入电容 在某些情况下 使用外部元件来限制带宽较为理想 一种方法是使用主动滤波器 使用复杂的 RC 组合 以创造非常有效的滤波器 主动滤波器将在一个单独系列的视频进行讨论 限制电路的带宽 简单的方法是通过放置一个电容在回授路径 这种分析 想像低频时电容开路 高频时电容短路 在低频时可以忽略电容 因此增益为 100V/V 或 40dB 在高频时电容短路 而电流不会通过就是 9k 欧姆 因此电路为 1V/V 或 0dB 增益 在低频和高频之间增益将以 -20dB/dec 的速率下降 需要注意的是在非常高的频率 增益将进一步衰退 因为放大器带宽的限制 注意该滤波器的截止频率 是由回授电容和回授电阻求得 计算出的值是 1.005kHz 与 989Hz 的仿真值相符 值得注意的是 滤波器的增益从是 40dB 降低为 0dB 衰减是相依于放大器的增益 让我们来仔细看看此现象 此页比较回授电容滤波器 是用在高或低增益放大器 在这两种情况下的截止频率 已被设定为相同的值 如前面所及 在高频回授电容滤波器 在高频回授电容滤波器 有效的短路了回授电阻 有效的短路了回授电阻 使增益为 1V/V 因此回授电容滤波器 始终将直流电流值的增益降为 1 因此在滤波器的最大衰减量等于直流增益 在高增益电路情况下 增益从 100V/V 衰减至 1V/V 或 40dB 但是低增益电路只有衰减 6dB 的增益 重点是回授电容滤波器 在高增益电路是最有效 如果你需要一个有效的滤波器用于低增益电路 你应该研究主动滤波器 一般情况下 主动滤波器比回授电容滤波更有效 但回授电容滤波器很受欢迎 因为它们便宜 且简单 最后让我们讨论 Slew rate 压摆率 及 full power bandwidth 全功率带宽 运算放大器的 Slew rate 是输出信号的最大变化率 如果您有兴趣了解 Slew rate 请观看 Slew rate 视频系列 一个元件的 Slew rate 可以影响在不同频率下运算放大器的行为 此作用可以被误解为带宽限制 事实上最大输出电压与频率取决于 Slew rate 通常被称为全功率带宽 让我们来看看 OPA192 在全功率带宽 是如何影响两个不同的信号 当应用为 unit gain follower 最大输出电压与频率关系的图表显示 在给定频率的最大不失真 P2P 输出 例如 在 1MHz 1Vpk 信号 此信号是远低于最大输出限制 所以不会失真 然而在 1MHz 10Vpk 信号 是在全功率带宽以外 所以信号会失真 现在让我们来看看一个时域仿真 在这两种情况下的输出 此页显示了输入频率为 1MHz 10Vpk 及 1Vpk OPA192 输出 注意 对于 1Vpk 输入预期有 1Vpk 的输出 1Vpk 输出通常不会出现失真 但是当 10Vpk 输入 输出却是 5Vpk 结果非常失真 事实上输出看起来更像是一个三角波 不是正弦波 这通常是放大器在 slew rate 限制的情况 基于上一页的 full power bandwidth 图形 就能理解此结果 最后一件事要注意的是输入信号 在 OPA192 buffer 带宽内 slew rate limitation 衰减了输出信号 此原因被不正确地解释为带宽限制 为了避免这个问题 请确保你的输出信号的幅值 不违反最大输出与频率的关系 总结 此视频讨论 AOL 曲线的斜率 如何影响增益带宽 运算放大器的输入电容 计算电路的实际增益 slew rate limitation 以及一些实现运算放大器滤波器的方法 感谢您的时间 请尝试测验来检查您对视频内容的理解吧