運算放大器 OP-Amp (六)

運算放大器是在具有「直流偏置」下設計出來。因此,我們基本上是在消耗靜態功率,以使其「準備就緒」接受小信號或較小幅度的信號。當使用「傅立葉變換分解」時,這些頻率可以為您提供從小到大的非常不同的頻率總和。

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運算放大器的「-3dB」

「-3dB點」是指定運算放大器帶寬的另一種方法。它對應於運算放大器的頻率響應中增益開始衰減的點,亦是我們所稱謂運算放大器「高速」與否。例如Texas Instruments ONET8501PB,它帶寬可達到9GHz,所以我們一般會形容這類是「高速」運算放大器。

onet8501pb
圖一 TI ONET8501PB -3dB

高速運算放大器用於儀器儀表、電訊、實驗室和醫療系統中的高性能數據採集系統。 這類型的「高速」運算放大器產品系列的速度範圍是從50MHz到GHz。

其實,運算放大器上的「速度」是指轉換速率(slew rate)還是帶寬(bandwidth)?

這是一個有趣的問題。

運算放大器的重要特徵是其速度。理想情況下,運算放大器在所有頻率下均具有「無限快的無限增益( infinitely fast with infinite gain)」功能,但實際上它們的速度是有限的。

這裡有兩個重要的概念與運算放大器的速度有關—「帶寬」和「壓擺率」。這兩個概念分別解釋不難理解,但加在一起就是另一回事,尤其是它們如何相互聯繫。

或者我們嘗試去了解,是什麼原因導致運算放大器具有有限的速度呢?發生這種情況是因為現實生活中的運算放大器受到節點上有限阻抗的限制。節點處的阻抗取決於節點處的電阻和電容。 隨著頻率的增加,電容的表演如「短路」,從而導致較低的阻抗並因此導致較低的增益。

最終,信號開始「衰減」了。正是這一點限制了運算放大器的工作速度。圖二顯示了運算放大器在方波信號的反應變化。在這裡,便清楚表達「壓擺率」和「帶寬」在這變化中擔任的角色。

opamp-sqwave
圖二 運算放大器在方波信號的反應變化

帶寬

運算放大器是在具有「直流偏置」下設計出來。因此,我們基本上是在消耗靜態功率,以使其「準備就緒」接受小信號或較小幅度的信號。當使用「傅立葉變換分解(Fourier Transform)」時,這些頻率可以為您提供從小到大的非常不同的頻率總和。這就是「小信號」的範圍,即是帶寬。帶寬越高,運算放大器就能夠放大更高頻率的信號,因此具有更高的速度。

從電氣上來說,信號增益為1 /√2或理想值的0.707的頻率是運算放大器的帶寬。這是運算放大器可以按預期行為工作的最大頻率。

從電氣上來說,信號增益為1 /√2或理想值的0.707的頻率是運算放大器的帶寬。這是運算放大器可以按預期行為工作的最大頻率。

例如,TI的OPA333AIDBVT,增益帶寬乘積為350kHz,即閉環增益為1時,帶寬為350kHz。 增益為2時,將為175kHz,依此類推。閉環增益更高時,運算放大器會變慢。

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