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運算放大器增益誤差設計指南

2011-02-18
作者:Bonnie Baker,德州儀器 (TI),高級應用工程師

      您坐下來為您的電路選擇合適的運算放大器(op amp) 時,首先要做的便是確定系統通過該放大器進行傳輸的信號帶寬。一旦您確定下來這一點,您便可以開始尋找正確的放大器。來自高速設計專家的告誡是:您應該避免使用相對您的應用而言速度過快的模擬器件。因此,您要盡量選擇一種閉環帶寬稍高于信號最大頻率的放大器。

     它聽起來好像是一種較好的產品選擇方案,但是這種設計方法將可能會給您的應用板帶來災難性的后果。在實驗室中,您可能會發現當您將應用最大頻率的輸入正弦波信號置入系統時,您放大器的輸出信號并未穿過希望的全刻度模擬范圍。信號增益遠低于預期。您放大器的轉換速率等級超出所需。另外,您并沒有驅動放大器輸出至電源軌中。哪里出錯了呢?

     不要再反復檢查您的電阻值了!在增益單元中設計某個放大器時,為這項工作選擇備選放大器時您需要了解一些事情。例如,您的信號最大帶寬(SBW) 是多少?放大器閉環噪聲增益(NG) 是多少,以及考慮中的放大器的增益帶寬產品(GBWP) 是什么?另外,您想要容許多少增益誤差?閉環噪聲增益就是放大器增益,就像一個小電壓源與運算放大器同相輸入串聯。

       讓我們通過例子來說明這個問題。例如,以1 MHz信號帶寬(SBW) 開始,圖1 所示放大器電路噪聲增益(NG = 1 + 9R/R)為10V/V。圖1還顯示了具有相對于該電路剛好足夠帶寬的放大器的開環頻率響應;或者您認為合適的開環頻率響應。放大器GBWP 為16 MHz。

1 該電壓反饋放大器的開環增益和閉環增益具有16 MHz 的增益帶寬產品和10 V/V 的電路噪聲增益。

       由圖1 所示可知,像它這樣的運算放大器可以支持1 MHz 頻率10 V/V (20 dB) 的增益,但我們需要進一步研究。SBW 開環增益曲線的增益為:

         

    在我們的例子中,1 MHz頻率下放大器的開環增益(AVOL-SBW) 等于16 V/V。但是,沒什么好抱怨的。該電路的閉環增益誤差等于NG/(AOL-SBW + NG)。在我們的例子中,1 MHz 閉環增益誤差等于0.385,即38.5% 的增益誤差!

     就該電路而言,如果您想要容許放大器0.05 的增益誤差,同時您知道因產品和溫度的不同,放大器的GBWP 會改變30% 最大值,則您需要一個具有247 MHz GBWP 的放大器。產品選擇部分的指導公式如下:

    在為您的電路選擇放大器時,請使用該公式獲得一次過關。在您確定放大器的帶寬以后,您便可以開始深入研究您應用的其它重要放大器特性,例如:電壓補償或噪聲。

參考文獻

  1. 增益誤差會影響運算放大器的選擇》,作者:Bendaoud, Soufiane,Planet Analog,2006年7 月
  2. 運算放大器增益分析》,作者:Mancini, Ron,EDN,2000 年12 月7 日
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