压摆率 1

大家好 欢迎来到 TI Precision Labs 德州仪器高精度实验室 本次视频将会探讨运算放大器的 slew rate 即压摆率第一部分 我们将会介绍与压摆率相关的基础理论 并对比压摆率 和放大器电流消耗之间的关系 首先来看什么是压摆率 压摆率被定义为运放输出电压可以达到的 最大摆动速率 它以 V/us 为单位 测量压摆率时可以在运放的输入端 加入一个较大的阶跃信号 比如 1V 幅值 然后测量输出端的电压摆动 即测量输出电平从最终输出量的 10% 增加到 90% 时的时间间隔 有些运放的数据手册中 会专门给出压摆率指标 有些则用大信号的阶跃响应来代替 在这个例子中 我们可以看到 输出电压满幅为 10V 满幅的 10% 和 90% 对应的电平 分别为 1V 和 9V 它们之间的上升时间为 0.25 微秒 从而可以计算出这里的压摆率为 29V/us 压摆率主要描述了 运放在大信号输入时的响应指标 而在正负 100 毫伏以下的小信号 我们应该使用小信号带宽这一指标 二者是不同的 在深入讨论压摆率之前 让我们先来复习一些基础知识 这个等式描述的是流经电容器的电流 等于电容器容值乘以电容器两端电压 随时间的变化率 当电流恒定时 电容器两端电压将会随着时间成线性变化 从而可以表示为v=mt 其中 v(t) 是电压的瞬时值 m 是图中直线的斜率 压摆率是运放的一个很重要的参数 下面我们等效画出运放的输入极和放大极 输入极有个跨导增益 gm 它把运放差分对管输入的电压 转化为本极的输出电流 Iout Iout 流入放大极 并对放大极的密勒电容 即图中的 Cc 进行充电 根据上一页幻灯片的说明 当 Iout 是常数时 Cc 两端电压将会线性增加 对于缓慢变化的信号 Iout 远小于本极的饱和输出电流 Iout(max) 这说明 Iout 会随着输入差分电压而变化 但对于快速变化的大信号 Iout 将会达到其饱和电流值 在这个例子中 Iout 饱和后运放的输入 将不再是虚短路 即运放的正负输入端引脚间的电压不再相等 因为 Iout 达到饱和成为常数 Cc 两端的电压 Vout 将会随时间以固定斜率线性增加 此时就认为运放达到压摆极限 即其输出转换速度达到了最快 接着上一页幻灯片的说明 这里以三极管输入的运放为例 当我们在输入的差分对管上 施加一个快速变化的大阶跃信号时 有一个三极管将会截止 另一个将会饱和 这时流经饱和三极管的电流 就是上一页幻灯片中提到的 Iout(max) 像前面讨论的一样 Iout(max) 流经 Cc 后 将使 Vout 线性增加 这里我们比较一些运放的压摆率 和静态电流 IQ 之间的关系 比较中采用的参数均是其典型值 在表中的第一行 可见 OPA369 的静态电流非常低 为 0.86uA 其压摆率为五毫伏每微秒 与最后一行静态电流 18.1mA 的 OPA847 相比 OPA369 的压摆率远小于 OPA847 的 850V/us 这说明运放的压摆率越高 带宽越大 其消耗的电流也越大 我们可以用 TINA 来很轻松地仿真压摆率 使用 TINA 里的信号源给运放 OPA2188 输入端加入一个幅值为正负 1 伏的方波信号 在仿真结果中 可以看到在阶跃处输入失调电压 从虚短路时的零伏变化到了 900 毫伏附近 更重要的是输出电压达到了压摆极限 即输出不像输入一样按方波变化 而是在输入阶跃发生处 输出按固定斜率上升 或者下降 逐渐到达正确的输出结果并稳定下来 此时输入端的失调也线性的逐渐减小到零 从仿真可以计算得到 运放 OPA2188 的压摆率为 0.795V/us 十分接近数据手册给出的 0.8V/us 这同时也说明 OPA2188 的 SPICE 模型 在压摆率方面可以准确地模拟真实器件 本页幻灯片着重说明 当运放输出信号以压摆率变化时 运放输出端不再满足虚短路的特性 因为输出变化比输入变化慢 所以输出反馈到输入后 可以在运放正负输入端看到压差 随着输出电压逐渐线性地到达其最终值 输入引脚间的电压逐渐减小 最终运放输入 重新满足虚短路的特性 放大器的数据手册 会提供一个用于描述压摆率和温度关系的曲线图 一般会同时给出正压摆率和负压摆率时的曲线 正压摆率在信号上升时出现 负压摆率在信号下降时出现 一般而言 压摆率的绝对值会随温度的上升而增大 有些运放包括了一个压摆增强电路 从而使器件具有更大的压摆率 这里显示了一个具有压摆增强功能的运放 在大阶跃信号输入时的响应曲线 可以看到这里出现了两段不同的压摆率 初始压摆率很大 而第二阶段的压摆率较小 输出信号逐渐稳定到终值 您或许会好奇 为什么运放不能只有一段很大的压摆率呢 原因在于如果运放只有一段很大的压摆率 输出将在到达终值后出现很大的过冲 或许可以通过某种手段来补偿这种过冲 然而这种补偿 可能会导致反方向变化的信号出现很大过冲 如果这种现象持续下去 将会导致震荡的发生 这一页幻灯片描述了 具有压摆增强功能的运放和普通运放相比的特点 左边是普通运放的响应情况 其中绿色区域显示了小信号输入 或者是差分输入端的输入信号 小于正负 100 毫伏时的情况 可见流入密勒电容的电流 ICc 和输入电压 Vin 成线性关系 蓝色区域显示了大信号输入 或者差分输入端的输入信号 大于正负 100 毫伏时的情况 这时运放达到了其压摆率极限 从而流经米勒电容的电流保持不变 对具有压摆增强功能的运放而言 如右图绿色区域所示 小信号响应与普通运放类似 但当输入差分电压达到 并超过某一特定值以后 如右图的蓝色曲线所示 运放达到了压摆率上限 这时压摆增强功能发挥作用 如图中红色区域所示 因此当给运放输入一个大阶跃信号时 器件将在一开始判断输入电压的大小 如果很大 运放将进入压摆增强模式 使得有足够的电流流入米勒电容 从而提高输出压摆率 当差分输入电压降低时 运放将进入标准压摆模式 而输入电压很小时 运放最后将进行小信号响应 这时输出电压会稳定 运放的输入端也将重新实现虚短路 到目前为止 我们在研究压摆率时只考虑了方波输入的情况 然而对于任何形式的输入信号 压摆率都会限制放大后的结果 或者导致其失真 相关的指标叫做运放的全功率带宽 它描述了最大输出电压和频率的关系 这幅图显示了无压摆率失真时 而在不同频率正弦波输入下 最大输出电压 以 200kHz 处输出信号为例 7.5 伏峰值输出信号 在全功率带宽曲线左下方 从而不会受到压摆率的限制 而十伏峰峰值输出信号 则超出了全功率带宽曲线的范围 将会受到压摆率造成的失真影响 这是对 200kHz 7.5 伏峰值输入的 正弦波压摆率的仿真情况 这个仿真结果验证了对 200kHz 7.5 伏峰值 输出的正弦波压摆率不会使其失真 从结果可以看到 输出很精确地反映了输入信号 此外可以看到图中失调电压 Vos 看起来也是 200kHz 的正弦波 实际上这个失调 可以通过输出电压除以开环带宽 Aol 得到 这个仿真结果 验证了对 200kHz 10V 峰值输出的正弦波 压摆率将使其输出失真 从图中可以看到 与输入的正弦波相比 因为压摆率限制造成的失真影响 输出电压更像是某种三角波 输入失调电压也明显失真 而且不再等于输出电压除以开环带宽 Aol 这一页幻灯片 说明运放的最大输出电压 和信号频率之间可以经由计算进行推导 当无法得到运放的全功率带宽曲线时 您可以试着手工计算 最后的计算公式为 Vp=SR/(2πf) 左边红色框起来的 200kHz 处的计算过程 是对此公式的证明 以上就是本次视频的内容 谢谢观看 请准备好下面的一个小测试 看看你是否已经掌握了本次学习的内容