運算放大器 OP-Amp (五)

繼續講解運算放大器,下一個參數「增益帶寬積(Gain-Bandwidth Product )」。

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Share on whatsapp
Share on reddit
Share on email

之前一章解釋了什麼是「開環增益」,它不單是一個基本的知識,它亦是運算放大器的一個重要參數。開始下一個參數「增益帶寬積(Gain-Bandwidth Product )」的講解前,先以下圖一重溫「增益」。

opamp-gain
圖一 運算放大器增益帶寬關係圖

增益帶寬積

如圖一,一個運算放大器的開環增益達到某一頻率時會以6 dB /octave 下降。 在這6 dB /octave 下降率的範圍內,如果我們將頻率加倍,則增益將下降到原來的一半。 相反,如果頻率減半,則開環增益將增加一倍,如圖一所示。

這就產生了所謂的增益帶寬積。 如果我們將開環增益乘以頻率,則乘積為總是一個「常數」。需要注意的是,這乘積必須處於下降6 dB /octave 的部分。這為我們提供了一個方便的因數,用於確定特定的運算放大器在特定的應用中是否可用。

例如,如果我們有一個需要10的增益和100 kHz帶寬的應用,那麼我們就需要一個運算放大器,其增益帶寬積至少為1 MHz。例如Microchip MCP6001

mcp6001
圖二 Microchip MCP6001 規格(GBWP = 1MHz)

不過,這樣解釋有點過分簡化。在現實中,由於增益帶寬乘積的可變性,以及在閉環增益與開環增益相交的位置處,響應實際上下降了3 dB,因此應留一點安全餘量(safety margin)。在上述應用中,增益帶寬乘積為1 MHz的運算放大器是微不足道的。

增益帶寬安全餘量(或裕度)

優良的設計習慣是確保放大器的GBP擁有一定的額外餘量。40dB是一個很好的安全裕度,可確保運算放大器的開環特性引起的誤差減至最少。為以下圖為例

ti-opamp-application
圖三 增益帶寬安全餘量示意圖(圖片來源 Amplifiers and Bits: An Introduction to Selecting Amplifiers for Data Converters, Texas Instruments)

這是一個GBWP 1MHz 運算放大器,如果40dB(100倍)是期望中的增益,能有25kHz的帶寬。但由於要有40dB的額外餘量,即是要「假設」這40dB其實是在80dB增益狀態下表現出來,根據1MHz 增益帶寬積,則意味著最大可用頻率僅為1 kHz。這就是為什麼即使對於相對低速的系統也可能需要高速運算放大器的原因之一。

如果喜歡我的文章,歡迎贊助我一杯咖啡

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *