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科普贴——如何通过增益带宽积选择运放

2021-06-08  作者:小狼

关键词:增益带宽运算放大器

最近谈到运放,有客人说:运放看起来很简单,可是我随便选两颗来评估,输出的信号明显失真,请问是怎么回事呢?
对于运放来说,它会有几个关键参数会影响运放的性能:开环增益、共模抑制比、输入失调电压、输入失调电流、输入偏置电流、差模输入电压、3dB带宽、压摆率、单位增益带宽或者增益带宽积等。
今天,我们来讨论一下增益带宽积,下图是运放内部晶体管的数学模型:


在用戴维南定理做等效代换之前,我们不妨先来重点回忆一下电容等效公式,它在后面的模型设计中会非常有用


低频工作时,电容的阻抗特别大,高频工作时,电容的阻抗特别小,我们一般在中频段,把级间电容视为开路,耦合电容视为短路,低频工作时,主要考虑耦合电容,高频工作时,主要考虑级间电容,那么,根据以上设定,我们分别得出其对应的中频、低频和高频等效模型来一一分析。


运放的中频等效模型

按照中频特性等效模型,中频放大倍数




运放的低频等效模型

按照低频等效模型,低频放大倍数


为方便简化,我们设定一个下限频率,此下限频率由输出阻抗来决定的,中频特性和低频特性之间存在一个函数关系:





运放的高频等效模型

同样,我们再来看看高频特性,高频放大倍数


我们同样设定一个上限限频率,此上限限频率由输出阻抗来决定的,中频特性和低频特性之间存在一个函数关系:



综合以上信息,考虑到耦合电容和结电容的影响,根据电压放大倍数建立一个新的数学模型


根据以上这些公式,我们发现运放在10倍下限频率和1/10倍上限频率之间,会有一个相对稳定的工作区间



结合实际应用中,通常来说,一般的运放产品中,上限频率远大于下限频率,所以,我们设定运放有一个通频带,运放在这个通频带中工作稳定


根据以上公式表明,通频带和中频放大倍数近似于一个常数,我们定义这个常数为增益带宽积。

在运放通常能实现全覆盖的模型传递函数中,运放在设定的1/10倍上限频率(多数情况下,运放具有很好的低频特性,下限频率一般为0)能正常工作,所以,我们都会建议客户选取10倍增益带宽的运放来达到最佳匹配,当然,以上公式并不适合所有的运算放大器模型,对于电流反馈型的运算放大器,以上推导不成立。

美国微芯公司(Microchip)最近发布一款零漂移、低功耗、小体积运放产品。

主要特点:

漂移特性

失调电压         <25uV

温漂              150Nv/℃

CMRR/PSRR      110dB

功耗特性

10MHz GBWP功耗电流1.6mA



参考资料:
模拟电路基础

工程数学--积分变换

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