常被誤解的運算放大器壓擺動作

作者: Bruce Trump

運算放大器的壓擺動作經常被誤解。壓擺率是一個內容較多的話題,需要將它進行分類討論。

運算放大器的壓擺動作經常被誤解。壓擺率是一個內容較多的話題,需要將它進行分類討論。

運算放大器輸入級電路的兩個輸入端之間的電壓通常非常小——理想情況下為零,對嗎?但是,輸入訊號突然地改變會短暫打破反饋迴路的平衡,在運算放大器的輸入端產生一個誤差差分電壓。這將會導致運算放大器的輸出產生變化來校正輸入端的誤差電壓。誤差電壓越大,輸出端電壓變化得越快,直到輸入端的差分電壓足夠大從而使得運算放大器產生壓擺。

如果輸入足夠大的訊號,意味著加速器已經踩到了底,輸出訊號不可能變化得更快了。更大的輸入並不會使輸出變化得更快。圖1用一個簡單的運算放大器電路解釋了這個原因。閉迴路上有一個恆定的電壓,使得運算放大器輸入端之間的電壓為零。輸入級的兩個輸入端之間是平衡的且電流IS1相同地分配到三極管的兩個輸入端。對於該電路,當輸入訊號Vin是大於350mV的階躍訊號時,電流IS1只流向輸入差分對管的一個三極管,該電流對米勒補償電容C1充電或者放電。輸出壓擺率SR是IS1對C1充電的比例,等於IS1/C1。

當然,有各種各樣的運算放大器電路來改善壓擺率。有壓擺增強電路的運算放大器用來檢測這種超載條件並且獲得更多額外的電流來為C1快速充電,但是在這種情況下,壓擺率還是受限制的。正端和負端的壓擺率可能不完全相同,在這種簡單的電路中,正端和負端的壓擺率是接近相等的,但是在不同的運算放大器中,這可能會隨之變化。輸入級的壓擺訊號(本設計是350mV)可以從100mV到1V或者更多,這取決於不同的運算放大器。

但是輸出端的壓擺不能回應輸入訊號的改變。輸入端超載時,輸出端不能隨之發生變化。但是一旦輸出電壓接近其最終值,輸入端的誤差電壓重新出現在線性區,變化率逐步減小,最終得到一個平滑的穩定值。

在運算放大器壓擺時,並沒有內在的錯誤——對速度沒有減小或提升。但是為了避免正弦訊號的嚴重失真,訊號的頻率和輸出訊號的幅度必須有一定的限制以保證輸出訊號的最大斜率不會超過運算放大器的壓擺率。圖2中,正弦訊號的最大斜率是正比於幅度Vp和頻率的。如果壓擺率較小(小於所需壓擺率的20%),輸出訊號將會失真,類似於一個三角波。

對運算放大器的壓擺率來說,幅度較大的方波訊號有非常陡的上升緣和下降緣。最終,一部分上升和下降緣被平滑為運算放大器的小訊號,如圖1所示。

在同相電路中,不管增益是多少,350mV的輸入階躍訊號將會使運算放大器產生壓擺。

圖3顯示了輸入訊號為1V,增益分別為1、2、4時運算放大器的壓擺。在不同的增益下,壓擺率是相同的。增益為1時,輸出波形最終轉換為350mV。在增益為2和4時,小訊號的比例隨之變大,因為回饋到反向輸入端的誤差訊號被回饋網路衰減。如果增益大於50,該運算放大器可能不會壓擺因為350mV的輸入階躍訊號將會使輸出飽和。

壓擺率的單位通常是V/us,也許是因為早期的通用運算放大器的壓擺率在1V/us左右。高速的運算放大器有1,000V/us的壓擺率,但是你很少看見它被表達為1kV/us或者1V/ns。而且,低功耗的運算放大器可能寫為0.02V/us,而不寫為20V/ms或者20mV/us,並沒有很好的原因來解釋,這只是我們衡量壓擺率的一種習慣。

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