運放輸出電壓上升時間的計算指南

本文介紹了運放電路帶寬增益積 和壓擺率 對運放輸出電壓上升時間的影響，評估運放輸出電壓的上升時間，一般采用輸出電壓的 10%~ 90%這一段時間作為上升時間。輸入信號的幅度值對運放輸出電壓上升時間有顯著影響，其中輸入信號是小幅度的時候，輸出電壓上升時間主要由運放自身的帶寬增益積 決定。

當(dāng)輸入信號是大幅度的時候，輸出電壓上升時間主要由運放自身的壓擺率 決定。輸入信號的幅度會讓運放輸入差分對管處于線性區(qū)間或者非線性區(qū)間，這兩個區(qū)間會讓運放的主極點電容充電/放電處于不同的狀態(tài)，所以導(dǎo)致輸出電壓的上升時間有顯著差異。針對合理的運放器件選型，我們可以利用近似的估算公式，快速計算得到合理的結(jié)果。

一

引言

在電路選型運算放大器時，用戶經(jīng)常比較關(guān)心運放輸出電壓的上升時間是如何計算的，上升時間到底與運放的帶寬增益積GBW有關(guān)，還是與運放的壓擺率SR有關(guān)，還是某些時候與兩者同時都存在一定的約束關(guān)系？不少用戶直接使用壓擺率SR去評估電路的上升時間，得出的結(jié)果有時候會對挑選運放的參數(shù)比較嚴(yán)苛，本文列出在不同幅度下的輸入信號，或者不同的電路形式時，可以用一套近似的公式去計算運放輸出電壓的上升時間，在工程應(yīng)用上可以較好評估運放的器件選型。

二

影響輸出電壓上升時間的因素

常見的電壓反饋型運算放大器內(nèi)部的等效結(jié)構(gòu)如Figure2-1所示，可以分為三級電路。第一級差分對電路完成差分轉(zhuǎn)單端輸出，第二級增益級，第三級推挽輸出級。其中主極點電容 Cc 和差分對尾電流源會對運放的帶寬、壓擺率有顯著影響。

Figure 2-1

當(dāng)輸入端 Vp 和Vn 有較小電壓差時，一般為 100mVpp以內(nèi)，此時 Vp和Vn對應(yīng)的輸入管仍然開啟，主極點電容 Cc的充放電可以維持在電流 I2的有效范圍內(nèi)，這樣運放輸出電壓呈現(xiàn)出類似于電容充放電指數(shù)上升或者下降的波形。

當(dāng)輸入端 Vp 和 Vn 有較大電壓差時，一般為數(shù)百mV乃至數(shù)Vpp 電壓，此時 Vp 和 Vn 對應(yīng)的輸入管可能會因為輸入信號幅度過大，某一邊的輸入管會關(guān)閉，另外一邊的輸入管會完全開啟，導(dǎo)致關(guān)閉一側(cè)的輸入管的支路電流完全給主極點電容Cc充電，因為此時充電電流已經(jīng)達到最大值，電容Cc的電壓會呈現(xiàn)出恒流充電時的狀態(tài)，在運放輸出端我們會看到斜坡一樣的上升波形。

因此為了研究運放輸出電壓的上升時間，我們需要區(qū)分此時輸入信號的幅度，小幅度信號和大幅度信號的輸入，會導(dǎo)致完全不一樣的輸出電壓上升時間。

三

運放電路輸出電壓上升時間trise的計算方法

表格3-1列出不同的電路形式，不同幅度的輸入信號，計算輸出電壓上升時間的近似公式。

Acl是電路的噪聲增益。

GBW是運放的帶寬增益積。

SR是運放的壓擺率。

表格 3-1

從上表的結(jié)論可以得出，不是任何時候運放輸出電壓的上升時間都與壓擺率SR有關(guān)，需要根據(jù)輸入信號的幅度來合理評估到底是運放的帶寬增益積GBW影響多一點，還是運放的壓擺率SR影響多一點，這樣會更合理的指導(dǎo)器件的選型。

四

仿真驗證

1、同相輸入緩沖器電路，小信號輸入Vin=50mV，運放設(shè)置為 GBW=10MHz，SR=10V/us。

Figure 4-1

Figure 4-2

根據(jù)表格 3-1

與仿真結(jié)果 38ns接近

2、同相輸入緩沖器電路，大信號輸入Vin=5Vpp，運放設(shè)置為 GBW=10MHz，SR=10V/us。

Figure 4-3

Figure 4-4

根據(jù)表格 3-1

與仿真結(jié)果中dx=400ns相同

3、同相輸入放大電路，放大倍數(shù)為100倍，小信號輸入Vin=50mV，運放設(shè)置為 GBW=10MHz，SR=10V/us。

Figure 4-5

Figure 4-6

根據(jù)表格 3-1

與仿真結(jié)果 3.8us 接近。

4、反相輸入緩沖器電路，小信號輸入Vin=50mV，運放設(shè)置為 GBW=10MHz，SR=10V/us。

Figure 4-7

Figure 4-8

根據(jù)表格 3-1

與仿真結(jié)果 61ns 接近。

注意：上圖的反相放大電路中，噪聲增益Acl=2，不是1。

5、反相輸入緩沖器電路，大信號輸入Vin=5Vpp，運放設(shè)置為 GBW=10MHz，SR=10V/us。

Figure 4-9

Figure 4-10

根據(jù)表格 3-1

與仿真結(jié)果中dx=402ns接近

6、反相輸入放大電路，小信號輸入Vin=50mV，運放設(shè)置為 GBW=10MHz，SR=10V/us。

Figure 4-11

Figure 4-12

根據(jù)表格 3-1

與仿真結(jié)果 3.4us 接近。

注意：上圖的反相放大電路中，噪聲增益Acl=100，不是99。

審核編輯：劉清