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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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運算放大器 OP-Amp (五)

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 )」。

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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。

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運算放大器 OP-Amp (四)

運算放大器 OP-Amp (四)

一般運算放大器的規格書都有提供開環增益頻率響應,在這一章會令大家更明白這是什麼,如何對線路設計的重要性。

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開環增益(Open-Loop Gain)

開環增益(通常稱為AVOL)是在沒有閉合反饋環路的情況下放大器的增益,因此稱為「開環」。對於精密運算放大器,該增益可以高到大約160 dB或更高,這代表是是1億倍的增益。

該增益從DC到主導極點(Dominant Pole)是平坦的。之後從那裡開始以6 dB /Octave 或20 dB /Decade 下降。(注:Octave是兩倍頻,Decade是10倍頻)。這稱為單極點響應(single-pole response)。

它會繼續以這種速度下降,直到它到達響應的另一個極點為止。第二極將使開環增益下降的速率增加一倍,即達到12 dB /倍頻程或40 dB /十倍頻程。

如果開環增益在到達第二極點之前已經降到0 dB(單位增益,unity gain)以下,則運算放大器在任何增益下都將是無條件穩定(unconditionally stable)的。在規格書上,這通常被稱為單位增益穩定(Unity Gain Stable)。

但是,如果在開環增益大於1(>0 dB)時達到第二極點,則放大器在某些情況下可能不穩定。我利用兩張圖為大家解釋可能更易明白。

圖一是「無條件穩定」的運算放大器,可見在0 dB時還在第一極點6 dB /Octave範圍。

Unity Gain Stable
圖一 「無條件穩定」的運算放大器

圖二是「可能不穩定」增益的運算放大器,可見達到第二極點12 dB /倍頻程時,開環增益還大於0dB。

Unstable
圖二 「可能不穩定」增益的運算放大器

由於這是顯而易見的「不穩定」,所以運算放大器生產商將產品推出市場時已設計成「無條件穩定」,例如texas instruments OPA820,規格書寫明「Unity Gain Stable」。但是如何驗證? 一般運算放大器的規格書都有提供開環增益頻率響應(Open-Loop Gain Frequency Response)圖,再以OPA820為例,開環增益頻率響應是這樣的-

frequency-response
圖三 開環增益頻率響應(圖片來源 TI OPA820 規格書)

這就是標準的Unity Gain Stable。

了解開環增益後,之後了解閉環增益、環路增益、信號增益和噪聲增益之間的差異說明就容易很多,而這些參數在選擇運算放大器非常重要。它們本質上是相似的,相互關聯的,但又有所不同。 我之後將詳細討論它們。

事實上,開環增益不是一個完全受到精確控制的規格。在生產上,它可以而且確實具有相對較大的範圍,並且在大多數情況下在規格中將以典型數字(typical)而不是最小/最大數字給出。 在某些情況下,通常是高精度運算放大器,其規格將是最低的。

voltage-gain
圖四 規格書上開環增益範圍(圖片來源 TI OPA820 規格書)

另外,開環增益會因輸出電壓電平和負載而變化。對溫度也有一定的依賴性。通常,這些影響程度很小,在大多數情況下可以忽略不計。 際上,這種非線性並不總是包含在該器件的數據手冊中。

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運算放大器 OP-Amp (三)

運算放大器 OP-Amp (三)

運算放大器會在高頻下損失增益,而當我們使用瞬態事件時,相同的基本機制會限制輸出信號的最大變化率。 但是,重要的是要認識到頻率響應和壓擺率是不同的現象,並且這兩種現象的影響在根本上是不同的。

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擺率(Slew rate)

擺率(Slew Rate,或稱迴轉率)測量運算放大器的輸出變化的速度。 該值定義為每單位時間的電壓變化,通常以V /μS為單位。

在線路設計上,如使用了擺率不足的Op-Amp,將會導致輸出波形失真,如下圖所示。 為了避免這種失真,工作頻率必須滿足以下不等式:

圖片來源: Yves-Laurent Allaert / Wikimedia Commons / CC-BY-SA-3.0 / GFDL

紅色方波是預期的輸出,綠色波是實際的失真輸出。

舉例,峰值輸出擺幅為1V且產生1Mhz正弦波的運算放大器必須具有6.28 V / us的最小擺率。

擺率與帶寬的分別

乍看,轉換速率似乎只是運放帶寬限制的時域表現。 有人可能會認為,當我們使用正弦信號時,運算放大器會在高頻下損失增益,而當我們使用瞬態事件時,相同的基本機制會限制輸出信號的最大變化率。 但是,重要的是要認識到頻率響應和壓擺率是不同的現象,並且這兩種現象的影響在根本上是不同的。

運算放大器傳遞函數中的「極(Pole)」表演出典型的低通濾波器行為;信號幅度隨頻率增加而減小,並發生相移。 但是這些效應是線性的,因此它們不會在輸出信號中引入失真。

但是,擺率是非線性效應。 如果正弦輸入信號乘以運算放大器的增益後得出的斜率高於運算放大器的壓擺率,則輸出波形的一部分將是一條直線,而不是正弦曲線的彎曲部分。 因此,擺率可以改變信號的形狀,因此是失真的來源,而不僅僅是幅度或相位的改變。

實際擺率注意事項

工程師目前可以選擇的運算放大器種類繁多,涵蓋了很大的壓擺率範圍。 一些設備每微秒提供幾伏特甚至更低,而其他設備每微秒提供幾百伏特。 如果您要設計一個涉及瞬態信號,高振幅正弦波或數字波形的電路,請在選擇運算放大器之前快速考慮壓擺率。

如下表所示,電流消耗與壓擺率之間存在很強的關係。 如果您試圖將良好的迴轉性能納入低功耗設計中,則必須謹慎選擇組件。

opamp-compare
圖二 對應不同擺率OP-Amp的瞬態電流的比較表

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運算放大器 OP-Amp (二)

運算放大器 OP-Amp (二)

opamp2運算放大器通常只有一個輸出,在零件的規格書上一般會表達為VOL(Output Voltage – Low Limit)和VOH(Output Voltage – High Limit)指定的範圍之間擺動。 該範圍通常不會超出於VSS至VDD的範圍。 例如,提供+/- 12V的運算放大器只能具有+/- 10V的輸出擺幅。

輸出類型

在「輸出類型」,我們大致將它們分成五類:

差分(Differential):運算放大器具有正輸出和負輸出,例如Texas Instruments OPA1632

軌對軌(Rail-to-Rail):運算放大器的輸出電壓擺幅可以比傳統運算放大器更靠近電源軌。 通常在毫伏範圍內,這類型在任何一款運算放大器都是最普遍。例如Microchip MIC7111

漏極開路(Open Drain):運算放大器的輸出在IC封裝內連接到晶體管的基極(Gate)。 因此,運算放大器在運作時讓晶體管的漏極導通,只能吸收電流。這類型一般用於電流感應,應用層面不大,故市場上的選擇較少,例如MAXIM INTETRATED MAX34406

open-drain

推挽式 (Push-Pull):運算放大器的輸出級使用一對處於推挽式配置的晶體管,其中一個晶體管提供電流,另一個晶體管吸收電流。它好處是當沒有信號存在時,輸出晶體管中沒有功耗。但是,與漏極開路一樣,應用層面不大,沒有太多外國生產商會再發展這輸出級的運算放大器,故市場上的選擇較少。例如JRC NJM13600

以上是在運算放大器IC封裝時為工程師作個「方便」,將輸出級加在內,優點是可減少附設零件數量,缺點是限制了使用,所以市場上除了這4類型外,單純的運算放大器在IC封裝內仍是佔大多數。

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運算放大器 OP-Amp (一)

運算放大器 OP-Amp (一)

時常收到客人關於OP-AMP的查詢,設計電路時為特定應用選擇正確的運算放大器時仍然感到很困難

opamp新手固然不太能掌握當中原理,就算是有經驗的工程設計師在選擇OP-AMP時,亦有可能忽略了部份參數,而影響了產品的運作,因為有些是通用的,有些則噪聲低,有些則輸入阻抗高,等等。我就用OP-AMP做我第一篇基礎電子知識文章,從分類、應用及線路等,為大家由淺入深刻認識OP-AMP

運算放大器 (Operational Amplifier, 或簡稱op-amp)是許多電子設計的基本組成部分之一。 它們用途廣泛,幾乎可以在運用在任何應用中。使用範圍從簡單地將小信號放大到高級模擬信號處理。 在查看實際op-amp的現實情況的規格之前,將我介紹理想(ideal)的op-amp模型(這對之後的理解非常重要!)。當然,理想的模型只是方便簡化設計中涉及的數學運算,但在實踐中不存在。

理想運算放大器的一些特徵是:

 

  • 無限增益(gain)
  • 無限輸入阻抗(input impedance)
  • 無限帶寬(bandwidth)— 運算放大器的增益不受頻率的影響。
  • 無限的擺率(slew rate)— 運算放大器的輸出可以根據需要快速變化。
  • 零輸入偏置電流(input bias current)— 沒有電流流入輸入端。
  • 零輸入失調電壓(input offset voltage)— 運算放大器的輸入相等時,其輸出為零。

查看下面的實際參數時,請先記住這幾項「理想」參數。

參數指標

像許多IC一樣,op-amp也有多種規格需要牢記。 以下列表細分了運放系列在眾多應用的一般劃分。劃分好,之後對個別應用的參數要求更能容易理解。

  1. 音頻(Audio):這些運算放大器針對音頻的低噪聲和失真進行了優化。此類別的放大器沒有輸出功率級。
  2. 緩衝器(Buffer):運算放大器配置為模擬線路中的緩衝器,通常是單位增益。這些通常只有一個輸入,不能用作為一般的運算放大器。
  3. CMOS:即是運算放大器中使用的是CMOS工藝技術,而不是傳統的雙極工藝。CMOS運算放大器通常比雙極型器件具有更高的輸入阻抗和更低的功耗。
  4. 電流反饋(Current Feedback):運算放大器其輸出與電流成比例,而不是電壓。這類型運算放大器通常具有更快的壓擺率和不受頻率影響的增益。
  5. 電流檢測(Current Sense):一種運算放大器用於測量電阻兩端的小壓降,其中輸出電壓與通過電阻的電流成比例。
  6. 差分(Differential):從技術上講,所有運算放大器都是差分放大器,但通常是代表用於放大單個信號。這類型的差動被設計為放大兩個信號之間的差別。
  7. 儀表(Instrumentation):這些放大器通常由3個獨立的放大器組成。輸入先通過緩衝放大器,然後分別饋入差分放大器。這類放大器專為高精度、高輸入阻抗和高開環增益而設計。
  8. 隔離(Isolation):具有內置光電隔離器的運算放大器,可將輸入與輸出物理隔離。
  9. JFET:使用JFET工藝製造的運算放大器。與雙極型器件相比,它們具有更高的輸入阻抗和更低的輸入偏置電流。
  10. 限制(Limiting):可以在內部箝位輸出電壓的放大器。
  11. 對數(Logarithmic):放大器的輸出與輸入相對於參考的對數成正比。
  12. 功率(Power):具有輸出功率級的運算放大器,使其可以提供比典型運算放大器更多的電流。
  13. 可編程增益(Programmable Gain):具有可變增益的運算放大器,可以進行數字編程。這類型在封裝後可以通過選擇引腳或通過串行接口(如SPI)來完成。
  14. 採樣和保持(Sample and Hold):通常與模數轉換器(ADC)一起使用,這些放大器將保持足夠長的輸出值以完成轉換。
  15. 跨傳導(Transconductance):這類型放大器,它接受電壓輸入並產生電流輸出。
  16. 跨阻抗(Transimpedance):這類型放大器,其輸入電流並產生電壓輸出。
  17. 可變增益(Variable Gain):與可編程增益放大器相似,但是增益可以通過數字或模擬電壓進行控制。
  18. 電壓反饋(Voltage Feedback):除非指定為電流反饋放大器,否則所有運算放大器均使用電壓反饋。
  19. 零漂移(Zero-Drift):這類型的特點是低偏移(offset)電壓和隨溫度變化的低偏移漂移。

最後,如果產品沒有特別要求,我便歸納為「通用」。大多數運算放大器屬於「通用」類別。

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