一文读懂运放“带宽”

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一文读懂运放“带宽”

2024-07-05 20:05| 来源: 网络整理| 查看: 265

在讲带宽之前,我们还是看一个例子吧。

我们看幅频特性,当信号频率为200kHz的时候,电路的增益将会降低到37.75dB,而不是设定的40dB了。

1)那么根据这个增益进行计算,就得到了154mV的峰峰值,这就是仿真的值。

2) 那么如果通过计算了。我们在之前给出过基于频率这个变量的Acl增益的计算公式,即|Acl(f)|=(Aol_dc)/(1 +β∗Aol_dc)∗1/√(1+〖(f/fcl)〗^2 )=Acl(f)_dc∗1/√(1+〖(f/(GBW/(Acl(f)_dc)))〗^2 )=1/β∗1/√(1+〖(f/(GBW∗β))〗^2),那么我们通过这个计算公式就可以得到增益为74倍。即输出为+/-74mV,148mV。这个值就很接近154mV了。

3)另外,上面时通过增益带宽积来计算闭环增益带宽的。还有一种图示法,这一个更简单,就是我们之前说的交叉点。看看上图这个开环增益-频率曲线,我们把反馈系数倒数与开环增益的交点找出,就是40dB这条线,这个时候可以看出带宽是200kHz。而如果将这个带入公式的话,那么此时的闭环增益就是100/根号2=70倍。

(1)单位增益带宽(Unity Gain-bandwidth,UGBW)

§定义:运放开环增益/频率图中,开环增益下降到 1 时的频率。

§ 理解:当输入信号频率高于此值时,运放的开环增益会小于 1,即此时放大器不再具 备放大能力。这是衡量运放带宽的一个主要指标。

(2)增益带宽积(Gain Bandwidth Product,GBP 或者 GBW)

§定义:运放开环增益/频率图中,指定频率处,开环增益与该指定频率的乘积。 

§理解:如果运放开环增益始终满足-20dB/10 倍频,也就是频率提高 10 倍,开环增益变 为 0.1 倍,那么它们的乘积将是一个常数,也就等于前述的“单位增益带宽”,或者“1Hz 处的增益”。在一个相对较窄的频率区域内,增益带宽积可以保持不变,基本满足-20dB/10倍频的关系。

备注:增益带宽积是表示小信号的增益带宽,一般是100mVpp以下但我们的运放常用来放大大信号,输出都在几伏左右。大信号带宽还要关注一个参数压摆率SR。

(3)-3dB 带宽

定义:运放闭环使用时,某个指定闭环增益(一般为 1 )下,增益变为 低频增益的 0.707 倍时的频率。

理解:它直接指出了使用该运放可以做到的-3dB 带宽。因为前述的两个指标,单位增益带宽和增益带宽积,其实都是对运放开环增益性能的一种描述,来自开环增益/频率图。而这个指标是对运放接成某种增益的放大电路实施实测得到的。

我们看看增益带宽积。两个电路的倍数分别为100倍和1000倍。它们的幅频特性如图所示。100倍的-3dB带宽是241k,两者的乘积是24.1MHz。1000倍的带宽为23.9k,两者的乘积为23.9MHz,两者相差很小,基本相同。

(4)满功率带宽(Full Power Bandwidth)

§定义:将运放接成指定增益闭环电路(一般为 1 倍),连接指定负载,输入加载正弦波,输出为指标规定的最大输出幅度,此状态下,不断增大输入信号频率,直到输出出现 因压摆率限制产生的失真(变形)为止,此频率即为满功率带宽。

§理解:比-3dB 带宽更为苛刻的一个限制频率。它指出在此频率之内,不但输出幅度不会降低,且能实现满幅度的大信号带载输出。满功率带宽与器件压摆率密切相关:FPBW = SR 2𝜋𝐴𝑚ax 其中,𝐴𝑚ax为运放能够输出的最大值(即满功率值)。

看上图仿真可知,如果超过满功率带宽则输出会正弦波输入会变成三角波,波形失真。

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