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运放参数:增益带宽积GBW、压摆率Slew Rate

2018-12-10  rookie

 增益带宽积(gain–bandwidth product,缩写:GBWP, GBW, GBP or GB)是指一个放大器带宽以及其相应增益的乘积

增益带宽积几乎是一个定值
对于那种可以买到的可变增益的集成放大器,增益越大,对应的截止频率越小,两者之乘积大致是一个定值。
比如下图是电流变电压前置放大器DLPCA-200的截止频率随放大倍数的关系。
 

任何放大器都不存在无限带宽,在输入信号频率到达一定高频时会开始衰减,衰减到一定增益时的带宽为增益带宽积,物理原因的话,大部分是寄生电容和电感了

这个参数可以更加简单的理解成在反馈体系下面输出信号的变化速度限制。
输出频率相同时,幅度越大,变化速率(压摆率Slew Rate)越大。
输出幅度相同时,频率越大,变化速率(压摆率Slew Rate)也越大。



运放参数的详细解释和分析:增益带宽积(GBW)

作者 Wayne Xu  TI员工

对于单极点响应,开环增益以6 dB/倍频程下降。这就是说,如果我们将频率增加一倍,增益会下降两倍。相反,如果使频率减半,则开环增益会增加一倍,结果产生所谓的增益带宽积。下表就是运放OPA376的datasheet中给出的增益带宽积典型值5.5MHz。
 


比这个表格中的参数更有用的是运放的开环增益曲线,如下图是OPA376的datasheet中给出的开环增益曲线.
 

在一些资料中也常看到运放的单位增益带宽,它是指运放增益为1时的-3dB带宽(上图把它标出来了),它与运放的增益带宽积从数值上是相等的,虽然名称不同。下面我们往深处刨一下图中的曲线,先观察增益曲线,它在1Hz左右有一个拐点,从这个拐点之后,运放的开环增益开始以-6dB/2倍频程(或-20dB/十倍频程)下降。正是由于这个拐点的存在,才使得运放有了增益带宽。这与理想运放中的开环增益是无穷大是不一样的。
增益带宽积的值可是有隐含条件的,就是这个值是在小信号下的带宽,这个常说的小信号是多小呢,印象中是100mVpp吧。但我们的运放常用来放大大信号,输出都在几伏左右。工程师常见的问题就是计算出来的带宽够啊,怎么在实际电路中就不够了呢,原因就在这。因此大信号带宽还要关注一个参数压摆率SR


小结,增益带宽积是表示小信号的增益带宽。大信号另当别论。



运放参数的详细解释和分析:压摆率(SR)

作者 Wayne Xu TI员工

压摆率可以理解为,当输入运放一个阶跃信号时,运放输出信号的最大变化速度,如下图所示
 

它的数学表达式为:
 

因此在运放的数据手册中查到的压摆率的单位是V/us.下表就是运放datasheet中标出的运放的压摆率。
 

我在实验室里测过OPA333对阶跃信号响应的波形如下图所示。希望能让大家看的更直观:
 

讨论完定义和现象,我们来看一下压摆率SR的来源。先看一下运放的内部结构:
   

运放的SR主要限制在内部第二级的Cc电容上。这个电容同时也决定着运放的带宽。那运放的压摆率,主要是由于对第二级的密勒电容充电过程的快慢所决定的。再深究一下,这个电容的大小会影响到运放的压摆率,同时充电电流的大小也会影响到充电的快慢。这也就解释了,为什么一般超低功耗的运放压摆率都不会太高。好比水流流速小,池子又大。只能花更长的时间充满池子。
下表是一些常用到TI运放的压摆率和静态电流:
 

上面简单说明了影响压摆率SR的因素。

下面说SR对放大电路的影响了。

它的直接影响,就是使输出信号的上升时间或下降时间过慢,从而引起失真。下图是测试的OPA333增益G=10时波形。由于OPA333的增益带宽积为350kHz,理论上增益为10的时候的带宽为35kHz。但下图是24kHz时测试的结果。显然输出波形已经失真,原因就是压摆率不够了 。带宽也变成了27kHz左右。
 

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