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運算放大器 OP-Amp (七)

運算放大器 OP-Amp (七)

帶寬是它可以響應信號的微小變化的最大速率。 兩者共同確定步進響應的總建立時間。 一些應用程序對帶寬的要求更為嚴格,並且對轉換速率的要求不是太嚴格-在啟動期間唯一可以方便使用轉換速率的實際情況就是這種情況。

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壓擺率

現在,假設您的小信號變得非常大。例如,不是1–2mV,而是2V。

現在,運算放大器感到困惑。它旨在處理小信號並在其帶寬內舒適地運行。現在我們處於大信號區域。

當然,運算放大器將「飽和」,即是其差分對之一將具有全部電流,另一個將具有「零」。

這是我們稱為用於將2V信號「傳輸」到下一級的「尾電流(tail current)」。

在這種狀態下立即更改任何電壓都是不可能的,因為它需要無限的電流才能為系統「固有」的電容充電。在我們的例子中,我們使用電容進行補償,它們可以高達10pF左右。而且我們也沒有無限的電流。

這會導致轉換速率增加!

這種大信號變化的原因是什麼? 這是因為當系統中的電源打開或來自上一級的輸入進行電源循環或切換時。在這種情況下,我們需要進行大信號分析。

讓我們再談談壓擺率的公式。

當運算放大器處於大信號模式時,運算放大器的所有偏置都會完全飽和,這就是為什麼我們需要回到庫侖定律,原因是 

 

因此

 

這是教科書中壓擺率的公式。

示例:對於TIOPA333AIDBVT,轉換速率為160mV / us,即運算放大器需要1us的輸出才能將輸出提高160mV。

帶寬還是轉換速率?

好吧,它們一起工作… 2V信號將處於「壓擺限制」狀態,直到差分對的一側被耗盡,然後一旦電流開始在被耗盡的差分側建立,它就進入「帶寬」區域……建立時間 =轉換時間+ 帶寬響應時間。

轉換速率是運算放大器可以響應輸入信號的大變化的最大速率。

帶寬是它可以響應信號的微小變化的最大速率。 兩者共同確定步進響應的總建立時間。 一些應用程序對帶寬的要求更為嚴格,並且對轉換速率的要求不是太嚴格-在啟動期間唯一可以方便使用轉換速率的實際情況就是這種情況。

但是,某些應用(例如,電動機驅動器)需要運算放大器完全打開或關閉,而此時的擺率要求更加嚴格。 歸結為將電氣信息從一個階段傳輸到另一個階段。

零件選擇

我們受到這樣做所需要的電流量的限制,這會產生壓擺率。在大信號區域中,其壓擺率;在小信號區域中,其帶寬。 對於快速運算放大器,我們可能需要高帶寬和高壓擺率。 器件選擇:高壓擺率運算放大器:ADIAD8476系列,壓擺率高於10V / us。 高帶寬運算放大器:RenesasEL5375系列,適用於100MHz以上的帶寬。

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運算放大器 OP-Amp (六)

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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