我正在為我的精密信號(hào)路徑選擇運(yùn)算放大器。速度是不是越快越好?

為精密運(yùn)算放大器應(yīng)用選擇合適的帶寬非常像金發(fā)姑娘試圖挑選三碗熊的麥片粥——一碗太熱，一碗太冷，一碗正好。我們希望 放大器的速度不太慢也不太快，剛好能為我們的信號(hào)提供保持穩(wěn) 定性和精確性所需的全部增益和速度。

本應(yīng)用中，電壓反饋運(yùn)算放大器的關(guān)鍵運(yùn)算放大器規(guī)格是增益帶寬積(GBP)和相位裕量(PM)。圖1顯示了ADA4610, 開(kāi)環(huán)增益和相位與頻率的關(guān)系；該器件是一款廣泛使用的運(yùn)算放大器。曲線表明，運(yùn)算放大器增益在低頻時(shí)高于30,000 (90 dB)，以20 dB/十倍頻程滾降，并在大約10 MHz處達(dá)到單位增益(0 dB)——10 MHz稱為單位增益交越頻率。運(yùn)算放大器開(kāi)環(huán)增益曲線讓我們能夠確定其GBP，并以給定的閉環(huán)增益和帶寬設(shè)計(jì)放大器電路(如GBP = 增益×帶寬，如圖2所示)。例如，注意閉環(huán)增益(AV)經(jīng)歷了十倍頻程下降，從100 (或40 dB)下降至10 (或20 dB)；而帶寬因此增加了十倍頻程，從163 kHz上升至1.63 MHz。

圖1. 開(kāi)環(huán)增益和相位與頻率的關(guān)系

圖2. 閉環(huán)增益與頻率的關(guān)系

類似地，圖1中的運(yùn)算放大器相位曲線與信號(hào)通過(guò)運(yùn)算放大器時(shí)其 固有相位偏移有關(guān)。相位裕量可以通過(guò)讀取放大器電路帶寬處的 相位偏移而近似得到。對(duì)于ADA4610來(lái)說(shuō)，相位裕量大約為67°， 足以保持穩(wěn)定性。如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)致放大器電路的相位裕量降低， 輸出端便可能產(chǎn)生劇烈振鈴，甚至振蕩等現(xiàn)象。

除了穩(wěn)定性，精度也受頻率影響。在較低頻率處，開(kāi)環(huán)運(yùn)算放 大器增益(AVOL)最高，有時(shí)稱為直流增益。隨著頻率增加，增益 下降，增益誤差更大。因此，頻率無(wú)需增加多少，就能看到增益 誤差過(guò)大，影響傳感器信號(hào)精度。

閉環(huán)增益可以通過(guò)下式計(jì)算。其中，β是反饋系數(shù)，1/β是理想閉環(huán)增益(比如圖2中的100 V/V綠線)，Aβ乘積稱為環(huán)路增益。

環(huán)路增益隨頻率下降時(shí)，可以看到增益誤差增加。百分比誤差可 以通過(guò)下式計(jì)算：

在圖形上，將環(huán)路增益Aβ想象為圖1中開(kāi)環(huán)直流增益(同樣可見(jiàn)于 數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格)與圖2中閉環(huán)增益之差。例如，為運(yùn)算放大器開(kāi)環(huán) 增益取一個(gè)100 dB的良好舍入值，并為閉環(huán)增益取一個(gè)40 dB的理 想值，我們可以得到環(huán)路增益為60 dB(或者1000 V/V)。表1表明， 增加環(huán)路增益會(huì)降低誤差(精度更高)。

表1：增加環(huán)路增益可降低誤差

因此，如果帶寬和環(huán)路增益越大越好，那為什么不使用一個(gè)比我們的信號(hào)增益和帶寬高得多的運(yùn)算放大器呢？原因有很多。運(yùn)算放大器的寬帶噪聲會(huì)在放大器的帶寬內(nèi)累積。如果選擇一個(gè)帶寬大于所需的運(yùn)算放大器，那么放大器電路就會(huì)積累過(guò)多的噪聲，降低系統(tǒng)的信噪比。速度更高的運(yùn)算放大器更容易受到系統(tǒng)寄生電容的影響，在反饋信號(hào)中引入延遲，并降低相位裕量，進(jìn)而影響穩(wěn)定性。最后，更快的運(yùn)算放大器功耗更高，因?yàn)檫\(yùn)算放大器輸出級(jí)的空閑電流必須更高，才能以更高的頻率驅(qū)動(dòng)負(fù)載電容。

選擇最快的運(yùn)算放大器會(huì)降低功耗性能，影響信號(hào)質(zhì)量。選擇過(guò)慢的運(yùn)算放大器會(huì)影響精度、穩(wěn)定性和其它性能測(cè)量。正確的做法是，找到適合應(yīng)用的運(yùn)算放大器，實(shí)現(xiàn)速度、增益、精度和相位裕量的有效平衡。

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