在本文中，我們將討論一種不同的非理想情況：轉(zhuǎn)換速率，它定義為運(yùn)算放大器的輸出電路可以產(chǎn)生的電壓變化率。如果理論輸出波形的斜率超過(guò)轉(zhuǎn)換速率，則實(shí)際輸出波形將偏離輸入波形的形狀，如圖 1 所示。
圖 1.運(yùn)算放大器輸出的壓擺率限制，上升時(shí)間由trise表示。圖片由羅伯特·凱姆提供壓擺率通常以伏特每微秒 (V/μs) 為單位。如果我們將轉(zhuǎn)換速率乘以一段時(shí)間，結(jié)果就會(huì)告訴我們輸出電壓在這段時(shí)間內(nèi)會(huì)增加多少。然而，更常見(jiàn)的是，我們使用運(yùn)算放大器的指定轉(zhuǎn)換速率來(lái)估計(jì)上升時(shí)間，或者相反，估計(jì)下降時(shí)間。
我們可以將上升時(shí)間（上圖中的 trise）定義為信號(hào)從其新值的 10% 增加到 90% 所需的時(shí)間。下降信號(hào)的轉(zhuǎn)換率類似，的區(qū)別是我們現(xiàn)在測(cè)量從 90% 下降到 10% 的變化。請(qǐng)注意，本文的其余部分將僅討論上升輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)換速率限制。
為了估計(jì)上升時(shí)間，我們將 80% 的預(yù)期輸出變化除以壓擺率。這種測(cè)量上升時(shí)間的方法減少了上升沿開(kāi)始或結(jié)束時(shí)發(fā)生的逐漸變化的影響。通過(guò)看一個(gè)例子我們可以更好地理解這一點(diǎn)。
上升時(shí)間：一個(gè)例子
假設(shè)我們需要一個(gè)運(yùn)算放大器來(lái)放大傳入的傳感器信號(hào)，當(dāng)某個(gè)物理事件發(fā)生時(shí)，該信號(hào)將從 0 V 快速轉(zhuǎn)換到 500 mV。我們將假設(shè)以下情況：
我們將運(yùn)算放大器配置為增益為 10 的同相放大器，以便預(yù)期輸出從 0V 快速轉(zhuǎn)變?yōu)?5V。
我們使用經(jīng)典的 741 運(yùn)算放大器，其轉(zhuǎn)換速率約為 0.5 V/μs。
在這種情況下，10% 到 90% 的條件對(duì)應(yīng)于從 0.5 V 增加到 4.5 V，電壓增加了 4 V。上升時(shí)間計(jì)算如下：
t上升 = 4 V0.5 Vμs = 8 μ文字s
接下來(lái)，我們將使用圖 2 中的 LTspice 原理圖通過(guò)仿真來(lái)確認(rèn)上升時(shí)間。
圖 2.用于測(cè)試 741 運(yùn)算放大器壓擺率的 LTspice 電路。圖片由羅伯特·凱姆提供圖 3 顯示了仿真結(jié)果。正如您所看到的，運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)的上升速度不如輸入信號(hào)的急劇上升。
圖 3. 模擬階躍函數(shù)輸入和轉(zhuǎn)換速率限制輸出。圖片由羅伯特·凱姆提供我們可以通過(guò)放大并使用光標(biāo)功能來(lái)測(cè)量上升時(shí)間和轉(zhuǎn)換速率（圖 4）。
圖 4. LTspice 的光標(biāo)功能使我們能夠測(cè)量輸出斜坡的斜率。圖片由羅伯特·凱姆提供從V OUT = 0.5 V 到V OUT = 4.5 V的輸出信號(hào)看起來(lái)非常線性。上升時(shí)間約為 8.5 μs，接近我們的理論值。波形這部分期間的斜率為 470,851 V/s，約為 0.47 V/μs。這表明仿真中使用的 SPICE 模型成功地再現(xiàn)了預(yù)期的約 0.5 V/μs 的 741 轉(zhuǎn)換速率。
轉(zhuǎn)換速率對(duì)正弦信號(hào)的影響
我們現(xiàn)在已經(jīng)了解了運(yùn)算放大器的壓擺率如何增加輸出波形的上升時(shí)間，從而導(dǎo)致快速輸入階躍轉(zhuǎn)換變?yōu)榫�性斜坡輸出轉(zhuǎn)換。然而，轉(zhuǎn)換速率限制不僅影響階躍函數(shù)。它們會(huì)影響任何需要比運(yùn)算放大器支持的變化速度更快的輸出信號(hào)，例如高頻正弦信號(hào)。
對(duì)于正弦信號(hào)，我們主要考慮非線性導(dǎo)致的失真。如果實(shí)際輸出信號(hào)的上升速度不能與預(yù)期輸出信號(hào)的較高斜率部分一樣快，則運(yùn)算放大器將無(wú)法維持輸入和輸出之間的線性關(guān)系。
圖 5 顯示了轉(zhuǎn)換速率引起的失真的一個(gè)極端示例。輸出的上升沿和下降沿受到轉(zhuǎn)換速率的限制。結(jié)果，信號(hào)現(xiàn)在是三角波而不是正弦波。
圖 5.模擬 741 運(yùn)算放大器在正弦曲線的較高斜率部分期間遇到轉(zhuǎn)換速率限制。圖片由羅伯特·凱姆提供是什么導(dǎo)致轉(zhuǎn)換速率限制？
電路中的延遲和帶寬限制從根本上來(lái)說(shuō)是由電容引起的。電流在電路內(nèi)流動(dòng)并通過(guò)阻抗時(shí)產(chǎn)生電壓。然而，電壓不會(huì)立即出現(xiàn)——電流必須首先對(duì)寄生電容和有意電容進(jìn)行充電或放電。較大的電容需要更多的充電電流并導(dǎo)致更長(zhǎng)的延遲。
運(yùn)算放大器具有必須充電和放電的內(nèi)部電容，這些電容限制了輸出電壓變化的速率。在許多情況下，這些內(nèi)部電容包括相對(duì)較大的補(bǔ)償電容器。
例如，圖 6 顯示了Texas Instruments 的LM124運(yùn)算放大器的內(nèi)部原理圖。其補(bǔ)償電容器 ( CC )降低了放大器第二級(jí)中電壓變化的速率。
德州儀器 (TI) LM124 運(yùn)算放大器的內(nèi)部原理圖。
圖 6. LM124 運(yùn)算放大器的內(nèi)部原理圖。其補(bǔ)償電容標(biāo)記為C C 。圖片由德州儀器 (TI)提供內(nèi)部補(bǔ)償電容器使運(yùn)算放大器更加穩(wěn)定，但會(huì)降低壓擺率。非補(bǔ)償運(yùn)算放大器不使用補(bǔ)償電容器，而是受到較小寄生電容的限制。因此，它們提供了更高的轉(zhuǎn)換速率。 |
