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    影響高速運算放大器速度的原因是什么

    2020年05月28日 17:08 ? 次閱讀

      高速運算放大器(英文:High Speed Op Amps),簡稱為高速運放。高速運算放大器主要用于儀器儀表、電信、實驗室和醫療系統中的高性能數據采集系統。

      眾所周知,運算放大器是構建模擬電路的基本模塊,它們用于多種信號調節任務,例如電壓放大、濾波和數學運算。當然,運算放大器的重要特征之一是速度,因此區分出了通用運算放大器和高速運算放大器。在理想情況下,運算放大器在所有頻率下都具有無限輸入阻抗的特性,但實際上它們的速度是有限的。

      決定高速運算放大器的重要概念有兩個:它們與運算放大器的速度有關,即帶寬和壓擺率。這兩個概念很難理解,尤其是它們如何相互聯系。在下文中,英銳恩單片機開發工程師將介紹跟“帶寬和壓擺率”相關的問題。

      一、影響高速運算放大器速度的原因是什么?

      那么,是什么原因導致運算放大器首先具有有限的速度呢?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。節點處的阻抗取決于節點處的電阻電容。隨著頻率的增加,電容的行為更像是“短路”,從而導致較低的阻抗并因此導致較低的增益。最終,導致信號開始“丟失”。正是這一點限制了如何快速的運算放大器可以工作。下圖為運算放大器如何響應階躍信號變化,其中,擺率和帶寬都對信號的總建立時間產生影響。

    影響高速運算放大器速度的原因是什么

      現在,讓我們更深入地研究并嘗試從概念上了解擺率和帶寬。

     ?。?)帶寬

      我們在直流偏置下設計一個運算放大器。因此,我們基本上是在消耗靜態功率,以使其“準備好”接受小信號或較小幅度的信號。當使用傅立葉變換分解時,這些頻率可以為你提供從小到大的非常不同的頻率總和。這是“小信號”的域,因此是帶寬。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/sqrt[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。比如: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。閉環增益越高,運算放大器的速度就越慢-增益和帶寬的乘積恒定。

     ?。?)擺率

      現在,假設信號變得非常大。例如,它變為1V而不是1-2mV這么小。那么,運算放大器會發生混亂。我們知道,運放旨在處理小信號并在其帶寬內運行,現在又處于大信號區域。這種情況下,運算放大器將飽和,其中之一將具有全部電流,另一個則為零。這也叫尾電流,然后用于將2V信號“傳輸”到下一級。這時候,若立即更改電壓都是不可能的,因為它將需要無限的電流來為系統“固有”的電容充電。如果使用電容來進行補償,它們可以高達10pF左右。而且我們也沒有無限的電流,這將導致壓擺率。那么,這種大信號變化的原因是什么?這是因為當系統中的電源打開時或來自上一級的輸入進行電源循環或切換時。在這些情況下,我們需要進行大信號分析。

      讓我們更多地討論壓擺率的公式。當運算放大器處于大信號模式時,運算放大器的所有偏置都會完全飽和,這就是為什么我們需要返回庫侖定律,該定律規定q = CV 或 I = CdV/dt,因此dV/dt = I/C,這是教科書中壓擺率的公式。

      以潤石高速運算放大器為例,壓擺率是160mV/us,即運算放大器需要1us才能將其輸出增加160mV。

      二、選擇帶寬還是選擇轉換速率?

      如果繼續運行,2V信號將處于“壓擺限制”狀態,直到差分對的一側被耗盡為止,然后一旦電流開始在被耗盡的差分側建立,它將進入“帶寬”區域,所以,建立時間=回轉時間+BW響應時間。

      轉換速率是運算放大器可以響應輸入信號的較大變化的最大速率,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,并且其壓擺率要求不是太嚴格,可能在唯一的擺壓率方便的真實位置是啟動期間就是這種情況。但是,某些應用(例如電機驅動器)需要運算放大器完全打開或關閉,而此時的擺率要求更為嚴格。歸結為將電氣信息從一個階段傳輸到另一個階段。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,為壓擺率;在小信號區域中,為帶寬。所以,對于高速運算放大器,我們可能需要選擇高帶寬和高壓擺率。

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