压摆率 3

大家好 欢迎来到 TI Precision Labs 德州仪器高精度实验室 本次视频是运算放大器压摆率课程的第三部分 我们将会深入探讨运算放大器 对小信号和大信号输入时的响应 同时会介绍放大电路增益对输出响应的影响 在前面的视频中 我们分别讨论了小信号和大信号的输出响应 实际上电路处理的信号 不会仅仅是小信号或者仅仅是大信号 所以这一部分我们将讨论 从小信号到大信号过渡时压摆率的情况 这是一个简单的同相电压跟随器电路 我们将在它的输入端施加从 10mV 峰峰值 到 4V 峰峰值的一系列信号 并观察输出情况 TI-TINA 的瞬态仿真功能 将帮助我们观察这一过程 这一页幻灯片显示了前面电路的仿真结果 图中分别给出了不同阶跃量输入时 电路的上升时间和压摆率的情况 注意当输入电压从 10mV 变化到 250mV 时 图中显示输出上升时间都是 20ns 是一个常数 而且电压变化率都小于 OPA192 的压摆率 20V/us 还可以看到 这时输出电压随时间呈指数上升 当输入电压从 500mV 变化到 1V 时 输入实现了从小信号到大信号的变化 可以看到这时上升时间不再是常数 但电压上升速率 还没有达到 20V/us 的压摆率 当输入阶跃幅值大于 1V 时 输出电压的上升速率接近 20V/us 受到压摆率限制 输出电压不再指数上升 而是以固定斜率线性增长 这个例子中 包含了阶跃小于 250mV 时的小信号输入响应 也包含了阶跃 大于 1V 时的大信号输入响应 这之间的过度 是由运放的设计结构和设计方法所决定的 CMOS 型的放大器在输入电压大于 100mV 时 就开始受压摆率限制了 而 BJT 型的运放会在更低输入电压处受限 工业上小信号响应的标准输入电压 为 100mV 阶跃 而实际上往往更低 图中各个响应曲线的纵轴尺度不同 从而可能让人会有误区 觉得图中靠下的曲线斜率 小于上面曲线的斜率 其实不是这样的 下一页幻灯片将进一步阐述这个问题 左图从上到下三条曲线依次是输入阶跃 如红色所示 100mV 输入时的输出响应 如绿色所示 4V 输入时的输出响应 如蓝色所示 为了显示方便 图中两条响应曲线高度相同 这让我们看起来觉得小信号的响应速度更快 但把这两条曲线放在一起 如右图所示 可以看到 压摆率线性上升的大信号响应速度 远高于小信号响应速度 实际上 大信号的输出电压变化率 为 19.8V/us 而小信号为 5V/us 这里我们对前面的同相电压跟随器 施加一个 10V 的阶跃输入 理论上输出信号应该按 20V/us 的斜率变化 然而 当输出信号即将增大到 10V 时 运放将会以小信号输入时的电压变化率进行响应 我们把 9.7V 到 10V 这段输出曲线放大 可以看到输出电压的变化率 从 20V/us 逐步下降到约 5V/us 同时可以看到输出曲线 从压摆率限制下的线性上升变成了 近似于小信号输入时的指数方式上升 到目前为止 大多数讨论都基于电压跟随器 或者叫缓冲器 现在我们来看看 不同的闭环电路结构对输出响应的影响 不同的闭环电路结构对输出响应的影响 这里显示的是增益为 -99V/V 的反相放大电路 对其输入一个幅值为 20mV 峰峰值的 小阶跃信号 根据增益的设置 输出电压应该为 2V 峰峰值 此时的输出响应 应该按小信号计算还是大信号计算呢 这是上一页幻灯片所示电路的输出响应仿真 注意到输出信号按指数形式上升或者下降 即表现为小信号输入响应 如果我们使用小信号输入时的上升时间计算公式 可以求得其上升时间为 3.5us 这一结果与仿真得到的 3.28us 上升时间非常接近 因此 尽管有 2V 的输出 此时运放仍按照小信号输入方式 对 20mV 阶跃输入进行响应 这样我们可以得到一个结论 即运放的输入信号决定了运放的响应情况 无论输出信号幅值大还是小 输出都无法决定运放的响应 到目前为止 我们仅仅考虑了 运放工作在线性放大区域时对输入的响应 换言之我们还没有考虑高输入共模信号的影响 和输出电压摆幅限制的影响 下面我们讨论当输出信号超过运放的 输出摆幅范围时会发生什么 运放的输出电压超过线性输出范围的现象 被称作输出幅度过载失真 输出电压从失真区域 回到线性放大区时会有一个过度时间 称为过载恢复时间 Toverload 后面几页幻灯片将解释过载恢复 及其对小信号和大信号响应的影响 当运放将输出电压 驱动到其摆幅限制范围以外时 就会发生幅度过载现象 图中 当输出信号非常接近正电源轨 V+ 时 晶体管 Q1 将会出现饱和 将不再工作在放大区 而进入其可变电阻区 同时 Q2 将逼近其截止工作区 过压恢复就是运放输出级的晶体管 从其饱和区或者截止区 回到线性放大区时所需要的时间 下面对幅度过载现象进行仿真 这里我们将运放 搭建成增益为 200 的反相放大器结构 并施加正负 50mV 峰峰值的方波信号 不考虑电源轨限制 我们应该得到正负 10V 峰峰值的输出信号 但是由于电源电压为正负 2.5V 很明显 因为输出摆幅限制 我们将会把输出 驱动到运放的输出摆幅限制之外 造成过载 下面的幻灯片中 我们将会通过瞬态仿真 来说明运放如何从幅度过载情况下恢复 这一页幻灯片对前面所示电路的 仿真结果和数据手册上的结果进行了对比 二者都在幅度过载失真状态 保持了约 50us 延迟后才开始变化 这个例子显示的是重度过载的情况 下面我们来研究过载幅度大小 对输出响应的影响 这张幻灯片显示了 增益为 200 的反相放大器的响应情况 左图所示为输出 保持在运放的线性放大区域内的情况 因为这时没有出现幅度过载 所以也看不到过载恢复时间 同时也可以看到输出响应在上升和下降时 都遵从小信号输入下指数变化的规律 右图显示了轻度幅度过载失真的情况 此时输出电压超出运放的摆幅限制较小 这时可以明显看到过压恢复时间出现 图中的延迟大约为 28us 这一结果要比数据手册给出的过压恢复时间小 这是因为电路的过载幅度很小 同时可以看到 输出在上升和下降时 仍然遵从小信号输入下的指数变化规律 这说明即使运放的输出出现了幅度过载失真现象 只要输入信号为小信号 运放的响应 仍然遵从小信号输入下的响应曲线 下一张幻灯片将讨论重度幅度 过载失真对输出响应的影响 接着前面的讨论 这里左图为轻度幅度过载时的输出响应 右图为重度幅度过载时的输出响应 如前所述 轻度过载时的输出响应 仍遵从小信号输入下的指数增长规律 而且其电压变化率 0.049V/us 远低于右图中重度过载失真时的 电压变化率 0.196V/us 右图同时也说明当出现重度幅度过载时 输出将会达到压摆率极限 这是因为虽然我们输入的信号较小 但我们的输出电压太大 从而造成运放输入端出现较大的失调电压 进而导致这一现象发生 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 看看您是否掌握了本次学习的内容