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理解运算放大器的转换速率和如何测量和计算它为您的设计

理解运算放大器的转换速率
理解运算放大器的转换速率

理想的运放是具有无限输入阻抗、零输出阻抗和无限带宽的电压放大器。然而,在现实世界中,这些参数受到半导体制造中的小缺陷、温度影响等的限制。

有一个参数被忽视了,但在上述方面很突出,那就是回转率。这不是一种寄生效应,而是一种故意减慢运算放大器以确保稳定。

在本文中,我们将学习关于运算放大器的转换速率,它的来源,我们也会做一些经典的计算741运放

回转率-定义

回转率的含义基本上是指运放根据输入的变化改变输出电压的速度。

旋转速率通常以伏特/单位时间为单位,更常用的单位是伏特/微秒,或V/µs。一个理想的运放有一个无限的反转率,这意味着它可以随输入的任何变化而立即改变输出。

下面给出的图显示了运算放大器响应阶跃输入的输出。

运算放大器转换速率

图中清楚地显示了运放有一个有限的上升时间,其中电压随时间线性增加。输出电压相对于时间的斜率就是回转率。

为什么运算放大器中有转换速率?

通过使用补偿电容,输出摆幅被有意地限制在运放中,以确保稳定性,从而限制了输出摆幅率。

下图显示了使用补偿运放和未补偿运放的效果。

运算放大器中的转换速率

尽管无补偿运算放大器速度更快,但由于边缘的快速上升和下降,仍然存在振铃现象,这可能导致稳定性问题。

补偿是通过添加米勒电容到运算放大器的驱动级。

LM741运放内部电路

在上图中,补偿电容为C1,其值较小,为30pF。它被放置在输出晶体管驱动器的输入和输出之间。这可以简化为下图。

运算放大器简化补偿原理图

这里,在基极和集电极之间加一个电容器。这种电容有时被称为米勒电容,因为它类似于寄生米勒电容之间的基极和集电极的BJT晶体管。

随着输入的增加,收集器上的输出开始下降。这就在电容器上产生了一个电压差,电流就开始流过它。

下面是关于电容器的电压、电流、电容和时间的简单公式:

I / C = dV / dt

我们可以理解电容上的电压是线性增加的。这个电压在输出端可见,看起来像一个斜坡波形。这样可以防止输入发生变化时输出突然发生变化,而输出的转换速率是由补偿电容的电容和驱动电流决定的。这个基本原理被用来补偿几乎所有的运算放大器。

为什么运算放大器的转换速率有限?

运算放大器的回转速率有限的最重要原因是稳定性。当输出相移大于180度时,在某个频率上具有足够高增益的放大器可以振荡。

高转换率意味着信号包含高频成分,这可能会导致问题。一个补偿电容低通滤波器这些高频元件,并作为结果输出转换率下降。

如何计算运算放大器的回转率?

有两种方法可以遵循回转率测量.第一种方法是用示波器和下列方法测量输出摆动转换速率公式计算回转率:

转换速率= (V- - - - - - Vf) / (t- tf)

在V是初始电压V吗f最终电压是t吗是测量初始电压的时间,和tf为最终电压测量的时间。的回转率单位它的单位总是伏特/微秒。这种方法很容易用示波器和游标来完成。

现在,如果我们对理想运放应用同样的公式,时间延迟(t- tf)将为零,因此旋转率将为无穷大。所以,理论上理想运放的转换速率将永远是无限的。

通常,初始电压被认为是最大值的10%,而最终电压是最大值的90%,因为这是作为上升时间测量的公共范围。转换速率的值总是在各自运算放大器的数据表中给出。

IC 741运算放大器转换速率的计算实例

LM741是一个经典的运算放大器,已经存在了很长时间,是这个例子的完美样本。在每个运放数据表中,可以找到一个大信号输出响应的图。

LM741大信号响应图

在这张图中,可以清楚地看到输出电压以一个固定的斜率旋转。

下降沿,起价70µ年代和90µ年代,结束这一段时间区别20µ年代,电压摆幅,就是10 v(从5 v + 5 v)和使用上面的公式,我们得到一个转换速率为0.5 v /µ年代,完全对应数据表中的值表示。

定义了转换率,解释了转换率产生的原因,并以LM741运放为例进行了计算。

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