6.3 TI 高精度实验室 - 压摆率 3

大家好

欢迎来到 TI Precision Labs

德州仪器高精度实验室

本次视频是运算放大器压摆率课程的第三部分

我们将会深入探讨运算放大器

对小信号和大信号输入时的响应

同时会介绍放大电路增益对输出响应的影响

在前面的视频中

我们分别讨论了小信号和大信号的输出响应

实际上电路处理的信号

不会仅仅是小信号或者仅仅是大信号

所以这一部分我们将讨论

从小信号到大信号过渡时压摆率的情况

这是一个简单的同相电压跟随器电路

我们将在它的输入端施加从 10mV 峰峰值

到 4V 峰峰值的一系列信号

并观察输出情况 TI-TINA 的瞬态仿真功能

将帮助我们观察这一过程

这一页幻灯片显示了前面电路的仿真结果

图中分别给出了不同阶跃量输入时

电路的上升时间和压摆率的情况

注意当输入电压从 10mV 变化到 250mV 时

图中显示输出上升时间都是 20ns

是一个常数

而且电压变化率都小于 OPA192 的压摆率

20V/us

还可以看到

这时输出电压随时间呈指数上升

当输入电压从 500mV 变化到 1V 时

输入实现了从小信号到大信号的变化

可以看到这时上升时间不再是常数

但电压上升速率

还没有达到 20V/us 的压摆率

当输入阶跃幅值大于 1V 时

输出电压的上升速率接近 20V/us

受到压摆率限制

输出电压不再指数上升

而是以固定斜率线性增长

这个例子中

包含了阶跃小于 250mV 时的小信号输入响应

也包含了阶跃

大于 1V 时的大信号输入响应

这之间的过度

是由运放的设计结构和设计方法所决定的

CMOS 型的放大器在输入电压大于 100mV 时

就开始受压摆率限制了

而 BJT 型的运放会在更低输入电压处受限

工业上小信号响应的标准输入电压

为 100mV 阶跃 而实际上往往更低

图中各个响应曲线的纵轴尺度不同

从而可能让人会有误区

觉得图中靠下的曲线斜率

小于上面曲线的斜率

其实不是这样的

下一页幻灯片将进一步阐述这个问题

左图从上到下三条曲线依次是输入阶跃

如红色所示

100mV 输入时的输出响应 如绿色所示

4V 输入时的输出响应 如蓝色所示

为了显示方便

图中两条响应曲线高度相同

这让我们看起来觉得小信号的响应速度更快

但把这两条曲线放在一起

如右图所示

可以看到

压摆率线性上升的大信号响应速度

远高于小信号响应速度

实际上 大信号的输出电压变化率

为 19.8V/us 而小信号为 5V/us

这里我们对前面的同相电压跟随器

施加一个 10V 的阶跃输入

理论上输出信号应该按 20V/us 的斜率变化

然而 当输出信号即将增大到 10V 时

运放将会以小信号输入时的电压变化率进行响应

我们把 9.7V 到 10V 这段输出曲线放大

可以看到输出电压的变化率

从 20V/us 逐步下降到约 5V/us

同时可以看到输出曲线

从压摆率限制下的线性上升变成了

近似于小信号输入时的指数方式上升

到目前为止

大多数讨论都基于电压跟随器

或者叫缓冲器

现在我们来看看

不同的闭环电路结构对输出响应的影响

不同的闭环电路结构对输出响应的影响

这里显示的是增益为 -99V/V 的反相放大电路

对其输入一个幅值为 20mV 峰峰值的

小阶跃信号

根据增益的设置

输出电压应该为 2V 峰峰值

此时的输出响应

应该按小信号计算还是大信号计算呢

这是上一页幻灯片所示电路的输出响应仿真

注意到输出信号按指数形式上升或者下降

即表现为小信号输入响应

如果我们使用小信号输入时的上升时间计算公式

可以求得其上升时间为 3.5us

这一结果与仿真得到的 3.28us 上升时间非常接近

因此 尽管有 2V 的输出

此时运放仍按照小信号输入方式

对 20mV 阶跃输入进行响应

这样我们可以得到一个结论

即运放的输入信号决定了运放的响应情况

无论输出信号幅值大还是小

输出都无法决定运放的响应

到目前为止 我们仅仅考虑了

运放工作在线性放大区域时对输入的响应

换言之我们还没有考虑高输入共模信号的影响

和输出电压摆幅限制的影响

下面我们讨论当输出信号超过运放的

输出摆幅范围时会发生什么

运放的输出电压超过线性输出范围的现象

被称作输出幅度过载失真

输出电压从失真区域

回到线性放大区时会有一个过度时间

称为过载恢复时间 Toverload

后面几页幻灯片将解释过载恢复

及其对小信号和大信号响应的影响

当运放将输出电压

驱动到其摆幅限制范围以外时

就会发生幅度过载现象

图中 当输出信号非常接近正电源轨 V+ 时

晶体管 Q1 将会出现饱和

将不再工作在放大区

而进入其可变电阻区

同时 Q2 将逼近其截止工作区

过压恢复就是运放输出级的晶体管

从其饱和区或者截止区

回到线性放大区时所需要的时间

下面对幅度过载现象进行仿真

这里我们将运放

搭建成增益为 200 的反相放大器结构

并施加正负 50mV 峰峰值的方波信号

不考虑电源轨限制

我们应该得到正负 10V 峰峰值的输出信号

但是由于电源电压为正负 2.5V

很明显 因为输出摆幅限制

我们将会把输出

驱动到运放的输出摆幅限制之外

造成过载

下面的幻灯片中

我们将会通过瞬态仿真

来说明运放如何从幅度过载情况下恢复

这一页幻灯片对前面所示电路的

仿真结果和数据手册上的结果进行了对比

二者都在幅度过载失真状态

保持了约 50us 延迟后才开始变化

这个例子显示的是重度过载的情况

下面我们来研究过载幅度大小

对输出响应的影响

这张幻灯片显示了

增益为 200 的反相放大器的响应情况

左图所示为输出

保持在运放的线性放大区域内的情况

因为这时没有出现幅度过载

所以也看不到过载恢复时间

同时也可以看到输出响应在上升和下降时

都遵从小信号输入下指数变化的规律

右图显示了轻度幅度过载失真的情况

此时输出电压超出运放的摆幅限制较小

这时可以明显看到过压恢复时间出现

图中的延迟大约为 28us

这一结果要比数据手册给出的过压恢复时间小

这是因为电路的过载幅度很小

同时可以看到

输出在上升和下降时

仍然遵从小信号输入下的指数变化规律

这说明即使运放的输出出现了幅度过载失真现象

只要输入信号为小信号

运放的响应

仍然遵从小信号输入下的响应曲线

下一张幻灯片将讨论重度幅度

过载失真对输出响应的影响

接着前面的讨论

这里左图为轻度幅度过载时的输出响应

右图为重度幅度过载时的输出响应

如前所述

轻度过载时的输出响应

仍遵从小信号输入下的指数增长规律

而且其电压变化率 0.049V/us

远低于右图中重度过载失真时的

电压变化率 0.196V/us

右图同时也说明当出现重度幅度过载时

输出将会达到压摆率极限

这是因为虽然我们输入的信号较小

但我们的输出电压太大

从而造成运放输入端出现较大的失调电压

进而导致这一现象发生

以上就是本次视频的内容

谢谢观看

请准备好下面的一个小测试

看看您是否掌握了本次学习的内容

大家好

欢迎来到 TI Precision Labs

德州仪器高精度实验室

本次视频是运算放大器压摆率课程的第三部分

我们将会深入探讨运算放大器

对小信号和大信号输入时的响应

同时会介绍放大电路增益对输出响应的影响

在前面的视频中

我们分别讨论了小信号和大信号的输出响应

实际上电路处理的信号

不会仅仅是小信号或者仅仅是大信号

所以这一部分我们将讨论

从小信号到大信号过渡时压摆率的情况

这是一个简单的同相电压跟随器电路

我们将在它的输入端施加从 10mV 峰峰值

到 4V 峰峰值的一系列信号

并观察输出情况 TI-TINA 的瞬态仿真功能

将帮助我们观察这一过程

这一页幻灯片显示了前面电路的仿真结果

图中分别给出了不同阶跃量输入时

电路的上升时间和压摆率的情况

注意当输入电压从 10mV 变化到 250mV 时

图中显示输出上升时间都是 20ns

是一个常数

而且电压变化率都小于 OPA192 的压摆率

20V/us

还可以看到

这时输出电压随时间呈指数上升

当输入电压从 500mV 变化到 1V 时

输入实现了从小信号到大信号的变化

可以看到这时上升时间不再是常数

但电压上升速率

还没有达到 20V/us 的压摆率

当输入阶跃幅值大于 1V 时

输出电压的上升速率接近 20V/us

受到压摆率限制

输出电压不再指数上升

而是以固定斜率线性增长

这个例子中

包含了阶跃小于 250mV 时的小信号输入响应

也包含了阶跃

大于 1V 时的大信号输入响应

这之间的过度

是由运放的设计结构和设计方法所决定的

CMOS 型的放大器在输入电压大于 100mV 时

就开始受压摆率限制了

而 BJT 型的运放会在更低输入电压处受限

工业上小信号响应的标准输入电压

为 100mV 阶跃 而实际上往往更低

图中各个响应曲线的纵轴尺度不同

从而可能让人会有误区

觉得图中靠下的曲线斜率

小于上面曲线的斜率

其实不是这样的

下一页幻灯片将进一步阐述这个问题

左图从上到下三条曲线依次是输入阶跃

如红色所示

100mV 输入时的输出响应 如绿色所示

4V 输入时的输出响应 如蓝色所示

为了显示方便

图中两条响应曲线高度相同

这让我们看起来觉得小信号的响应速度更快

但把这两条曲线放在一起

如右图所示

可以看到

压摆率线性上升的大信号响应速度

远高于小信号响应速度

实际上 大信号的输出电压变化率

为 19.8V/us 而小信号为 5V/us

这里我们对前面的同相电压跟随器

施加一个 10V 的阶跃输入

理论上输出信号应该按 20V/us 的斜率变化

然而 当输出信号即将增大到 10V 时

运放将会以小信号输入时的电压变化率进行响应

我们把 9.7V 到 10V 这段输出曲线放大

可以看到输出电压的变化率

从 20V/us 逐步下降到约 5V/us

同时可以看到输出曲线

从压摆率限制下的线性上升变成了

近似于小信号输入时的指数方式上升

到目前为止

大多数讨论都基于电压跟随器

或者叫缓冲器

现在我们来看看

不同的闭环电路结构对输出响应的影响

不同的闭环电路结构对输出响应的影响

这里显示的是增益为 -99V/V 的反相放大电路

对其输入一个幅值为 20mV 峰峰值的

小阶跃信号

根据增益的设置

输出电压应该为 2V 峰峰值

此时的输出响应

应该按小信号计算还是大信号计算呢

这是上一页幻灯片所示电路的输出响应仿真

注意到输出信号按指数形式上升或者下降

即表现为小信号输入响应

如果我们使用小信号输入时的上升时间计算公式

可以求得其上升时间为 3.5us

这一结果与仿真得到的 3.28us 上升时间非常接近

因此 尽管有 2V 的输出

此时运放仍按照小信号输入方式

对 20mV 阶跃输入进行响应

这样我们可以得到一个结论

即运放的输入信号决定了运放的响应情况

无论输出信号幅值大还是小

输出都无法决定运放的响应

到目前为止 我们仅仅考虑了

运放工作在线性放大区域时对输入的响应

换言之我们还没有考虑高输入共模信号的影响

和输出电压摆幅限制的影响

下面我们讨论当输出信号超过运放的

输出摆幅范围时会发生什么

运放的输出电压超过线性输出范围的现象

被称作输出幅度过载失真

输出电压从失真区域

回到线性放大区时会有一个过度时间

称为过载恢复时间 Toverload

后面几页幻灯片将解释过载恢复

及其对小信号和大信号响应的影响

当运放将输出电压

驱动到其摆幅限制范围以外时

就会发生幅度过载现象

图中 当输出信号非常接近正电源轨 V+ 时

晶体管 Q1 将会出现饱和

将不再工作在放大区

而进入其可变电阻区

同时 Q2 将逼近其截止工作区

过压恢复就是运放输出级的晶体管

从其饱和区或者截止区

回到线性放大区时所需要的时间

下面对幅度过载现象进行仿真

这里我们将运放

搭建成增益为 200 的反相放大器结构

并施加正负 50mV 峰峰值的方波信号

不考虑电源轨限制

我们应该得到正负 10V 峰峰值的输出信号

但是由于电源电压为正负 2.5V

很明显 因为输出摆幅限制

我们将会把输出

驱动到运放的输出摆幅限制之外

造成过载

下面的幻灯片中

我们将会通过瞬态仿真

来说明运放如何从幅度过载情况下恢复

这一页幻灯片对前面所示电路的

仿真结果和数据手册上的结果进行了对比

二者都在幅度过载失真状态

保持了约 50us 延迟后才开始变化

这个例子显示的是重度过载的情况

下面我们来研究过载幅度大小

对输出响应的影响

这张幻灯片显示了

增益为 200 的反相放大器的响应情况

左图所示为输出

保持在运放的线性放大区域内的情况

因为这时没有出现幅度过载

所以也看不到过载恢复时间

同时也可以看到输出响应在上升和下降时

都遵从小信号输入下指数变化的规律

右图显示了轻度幅度过载失真的情况

此时输出电压超出运放的摆幅限制较小

这时可以明显看到过压恢复时间出现

图中的延迟大约为 28us

这一结果要比数据手册给出的过压恢复时间小

这是因为电路的过载幅度很小

同时可以看到

输出在上升和下降时

仍然遵从小信号输入下的指数变化规律

这说明即使运放的输出出现了幅度过载失真现象

只要输入信号为小信号

运放的响应

仍然遵从小信号输入下的响应曲线

下一张幻灯片将讨论重度幅度

过载失真对输出响应的影响

接着前面的讨论

这里左图为轻度幅度过载时的输出响应

右图为重度幅度过载时的输出响应

如前所述

轻度过载时的输出响应

仍遵从小信号输入下的指数增长规律

而且其电压变化率 0.049V/us

远低于右图中重度过载失真时的

电压变化率 0.196V/us

右图同时也说明当出现重度幅度过载时

输出将会达到压摆率极限

这是因为虽然我们输入的信号较小

但我们的输出电压太大

从而造成运放输入端出现较大的失调电压

进而导致这一现象发生

以上就是本次视频的内容

谢谢观看

请准备好下面的一个小测试

看看您是否掌握了本次学习的内容