6.1 TI 高精度实验室 - 压摆率 1

大家好

欢迎来到 TI Precision Labs

德州仪器高精度实验室

本次视频将会探讨运算放大器的

slew rate 即压摆率第一部分

我们将会介绍与压摆率相关的基础理论

并对比压摆率

和放大器电流消耗之间的关系

首先来看什么是压摆率

压摆率被定义为运放输出电压可以达到的

最大摆动速率

它以 V/us 为单位

测量压摆率时可以在运放的输入端

加入一个较大的阶跃信号

比如 1V 幅值

然后测量输出端的电压摆动

即测量输出电平从最终输出量的

10% 增加到 90% 时的时间间隔

有些运放的数据手册中

会专门给出压摆率指标

有些则用大信号的阶跃响应来代替

在这个例子中

我们可以看到

输出电压满幅为 10V

满幅的 10% 和 90% 对应的电平

分别为 1V 和 9V

它们之间的上升时间为 0.25 微秒

从而可以计算出这里的压摆率为 29V/us

压摆率主要描述了

运放在大信号输入时的响应指标

而在正负 100 毫伏以下的小信号

我们应该使用小信号带宽这一指标

二者是不同的

在深入讨论压摆率之前

让我们先来复习一些基础知识

这个等式描述的是流经电容器的电流

等于电容器容值乘以电容器两端电压

随时间的变化率

当电流恒定时

电容器两端电压将会随着时间成线性变化

从而可以表示为v=mt

其中 v(t) 是电压的瞬时值

m 是图中直线的斜率

压摆率是运放的一个很重要的参数

下面我们等效画出运放的输入极和放大极

输入极有个跨导增益 gm

它把运放差分对管输入的电压

转化为本极的输出电流 Iout

Iout 流入放大极

并对放大极的密勒电容

即图中的 Cc 进行充电

根据上一页幻灯片的说明

当 Iout 是常数时

Cc 两端电压将会线性增加

对于缓慢变化的信号 Iout

远小于本极的饱和输出电流 Iout(max)

这说明 Iout 会随着输入差分电压而变化

但对于快速变化的大信号

Iout 将会达到其饱和电流值

在这个例子中

Iout 饱和后运放的输入

将不再是虚短路

即运放的正负输入端引脚间的电压不再相等

因为 Iout 达到饱和成为常数

Cc 两端的电压 Vout

将会随时间以固定斜率线性增加

此时就认为运放达到压摆极限

即其输出转换速度达到了最快

接着上一页幻灯片的说明

这里以三极管输入的运放为例

当我们在输入的差分对管上

施加一个快速变化的大阶跃信号时

有一个三极管将会截止

另一个将会饱和

这时流经饱和三极管的电流

就是上一页幻灯片中提到的 Iout(max)

像前面讨论的一样

Iout(max) 流经 Cc 后

将使 Vout 线性增加

这里我们比较一些运放的压摆率

和静态电流 IQ 之间的关系

比较中采用的参数均是其典型值

在表中的第一行

可见 OPA369 的静态电流非常低

为 0.86uA 其压摆率为五毫伏每微秒

与最后一行静态电流 18.1mA 的 OPA847 相比

OPA369 的压摆率远小于 OPA847 的 850V/us

这说明运放的压摆率越高 带宽越大

其消耗的电流也越大

我们可以用 TINA 来很轻松地仿真压摆率

使用 TINA 里的信号源给运放 OPA2188

输入端加入一个幅值为正负 1 伏的方波信号

在仿真结果中

可以看到在阶跃处输入失调电压

从虚短路时的零伏变化到了 900 毫伏附近

更重要的是输出电压达到了压摆极限

即输出不像输入一样按方波变化

而是在输入阶跃发生处

输出按固定斜率上升 或者下降

逐渐到达正确的输出结果并稳定下来

此时输入端的失调也线性的逐渐减小到零

从仿真可以计算得到

运放 OPA2188 的压摆率为 0.795V/us

十分接近数据手册给出的 0.8V/us

这同时也说明 OPA2188 的 SPICE 模型

在压摆率方面可以准确地模拟真实器件

本页幻灯片着重说明

当运放输出信号以压摆率变化时

运放输出端不再满足虚短路的特性

因为输出变化比输入变化慢

所以输出反馈到输入后

可以在运放正负输入端看到压差

随着输出电压逐渐线性地到达其最终值

输入引脚间的电压逐渐减小

最终运放输入

重新满足虚短路的特性

放大器的数据手册

会提供一个用于描述压摆率和温度关系的曲线图

一般会同时给出正压摆率和负压摆率时的曲线

正压摆率在信号上升时出现

负压摆率在信号下降时出现

一般而言

压摆率的绝对值会随温度的上升而增大

有些运放包括了一个压摆增强电路

从而使器件具有更大的压摆率

这里显示了一个具有压摆增强功能的运放

在大阶跃信号输入时的响应曲线

可以看到这里出现了两段不同的压摆率

初始压摆率很大

而第二阶段的压摆率较小

输出信号逐渐稳定到终值

您或许会好奇

为什么运放不能只有一段很大的压摆率呢

原因在于如果运放只有一段很大的压摆率

输出将在到达终值后出现很大的过冲

或许可以通过某种手段来补偿这种过冲

然而这种补偿

可能会导致反方向变化的信号出现很大过冲

如果这种现象持续下去

将会导致震荡的发生

这一页幻灯片描述了

具有压摆增强功能的运放和普通运放相比的特点

左边是普通运放的响应情况

其中绿色区域显示了小信号输入

或者是差分输入端的输入信号

小于正负 100 毫伏时的情况

可见流入密勒电容的电流 ICc

和输入电压 Vin 成线性关系

蓝色区域显示了大信号输入

或者差分输入端的输入信号

大于正负 100 毫伏时的情况

这时运放达到了其压摆率极限

从而流经米勒电容的电流保持不变

对具有压摆增强功能的运放而言

如右图绿色区域所示

小信号响应与普通运放类似

但当输入差分电压达到

并超过某一特定值以后

如右图的蓝色曲线所示

运放达到了压摆率上限

这时压摆增强功能发挥作用

如图中红色区域所示

因此当给运放输入一个大阶跃信号时

器件将在一开始判断输入电压的大小

如果很大 运放将进入压摆增强模式

使得有足够的电流流入米勒电容

从而提高输出压摆率

当差分输入电压降低时

运放将进入标准压摆模式

而输入电压很小时

运放最后将进行小信号响应

这时输出电压会稳定

运放的输入端也将重新实现虚短路

到目前为止

我们在研究压摆率时只考虑了方波输入的情况

然而对于任何形式的输入信号

压摆率都会限制放大后的结果

或者导致其失真

相关的指标叫做运放的全功率带宽

它描述了最大输出电压和频率的关系

这幅图显示了无压摆率失真时

而在不同频率正弦波输入下

最大输出电压

以 200kHz 处输出信号为例

7.5 伏峰值输出信号

在全功率带宽曲线左下方

从而不会受到压摆率的限制

而十伏峰峰值输出信号

则超出了全功率带宽曲线的范围

将会受到压摆率造成的失真影响

这是对 200kHz 7.5 伏峰值输入的

正弦波压摆率的仿真情况

这个仿真结果验证了对 200kHz 7.5 伏峰值

输出的正弦波压摆率不会使其失真

从结果可以看到

输出很精确地反映了输入信号

此外可以看到图中失调电压 Vos

看起来也是 200kHz 的正弦波

实际上这个失调

可以通过输出电压除以开环带宽 Aol 得到

这个仿真结果

验证了对 200kHz 10V 峰值输出的正弦波

压摆率将使其输出失真

从图中可以看到

与输入的正弦波相比

因为压摆率限制造成的失真影响

输出电压更像是某种三角波

输入失调电压也明显失真

而且不再等于输出电压除以开环带宽 Aol

这一页幻灯片

说明运放的最大输出电压

和信号频率之间可以经由计算进行推导

当无法得到运放的全功率带宽曲线时

您可以试着手工计算

最后的计算公式为 Vp=SR/(2πf)

左边红色框起来的

200kHz 处的计算过程

是对此公式的证明

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

看看你是否已经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

本次视频将会探讨运算放大器的

slew rate 即压摆率第一部分

我们将会介绍与压摆率相关的基础理论

并对比压摆率

和放大器电流消耗之间的关系

首先来看什么是压摆率

压摆率被定义为运放输出电压可以达到的

最大摆动速率

它以 V/us 为单位

测量压摆率时可以在运放的输入端

加入一个较大的阶跃信号

比如 1V 幅值

然后测量输出端的电压摆动

即测量输出电平从最终输出量的

10% 增加到 90% 时的时间间隔

有些运放的数据手册中

会专门给出压摆率指标

有些则用大信号的阶跃响应来代替

在这个例子中

我们可以看到

输出电压满幅为 10V

满幅的 10% 和 90% 对应的电平

分别为 1V 和 9V

它们之间的上升时间为 0.25 微秒

从而可以计算出这里的压摆率为 29V/us

压摆率主要描述了

运放在大信号输入时的响应指标

而在正负 100 毫伏以下的小信号

我们应该使用小信号带宽这一指标

二者是不同的

在深入讨论压摆率之前

让我们先来复习一些基础知识

这个等式描述的是流经电容器的电流

等于电容器容值乘以电容器两端电压

随时间的变化率

当电流恒定时

电容器两端电压将会随着时间成线性变化

从而可以表示为v=mt

其中 v(t) 是电压的瞬时值

m 是图中直线的斜率

压摆率是运放的一个很重要的参数

下面我们等效画出运放的输入极和放大极

输入极有个跨导增益 gm

它把运放差分对管输入的电压

转化为本极的输出电流 Iout

Iout 流入放大极

并对放大极的密勒电容

即图中的 Cc 进行充电

根据上一页幻灯片的说明

当 Iout 是常数时

Cc 两端电压将会线性增加

对于缓慢变化的信号 Iout

远小于本极的饱和输出电流 Iout(max)

这说明 Iout 会随着输入差分电压而变化

但对于快速变化的大信号

Iout 将会达到其饱和电流值

在这个例子中

Iout 饱和后运放的输入

将不再是虚短路

即运放的正负输入端引脚间的电压不再相等

因为 Iout 达到饱和成为常数

Cc 两端的电压 Vout

将会随时间以固定斜率线性增加

此时就认为运放达到压摆极限

即其输出转换速度达到了最快

接着上一页幻灯片的说明

这里以三极管输入的运放为例

当我们在输入的差分对管上

施加一个快速变化的大阶跃信号时

有一个三极管将会截止

另一个将会饱和

这时流经饱和三极管的电流

就是上一页幻灯片中提到的 Iout(max)

像前面讨论的一样

Iout(max) 流经 Cc 后

将使 Vout 线性增加

这里我们比较一些运放的压摆率

和静态电流 IQ 之间的关系

比较中采用的参数均是其典型值

在表中的第一行

可见 OPA369 的静态电流非常低

为 0.86uA 其压摆率为五毫伏每微秒

与最后一行静态电流 18.1mA 的 OPA847 相比

OPA369 的压摆率远小于 OPA847 的 850V/us

这说明运放的压摆率越高 带宽越大

其消耗的电流也越大

我们可以用 TINA 来很轻松地仿真压摆率

使用 TINA 里的信号源给运放 OPA2188

输入端加入一个幅值为正负 1 伏的方波信号

在仿真结果中

可以看到在阶跃处输入失调电压

从虚短路时的零伏变化到了 900 毫伏附近

更重要的是输出电压达到了压摆极限

即输出不像输入一样按方波变化

而是在输入阶跃发生处

输出按固定斜率上升 或者下降

逐渐到达正确的输出结果并稳定下来

此时输入端的失调也线性的逐渐减小到零

从仿真可以计算得到

运放 OPA2188 的压摆率为 0.795V/us

十分接近数据手册给出的 0.8V/us

这同时也说明 OPA2188 的 SPICE 模型

在压摆率方面可以准确地模拟真实器件

本页幻灯片着重说明

当运放输出信号以压摆率变化时

运放输出端不再满足虚短路的特性

因为输出变化比输入变化慢

所以输出反馈到输入后

可以在运放正负输入端看到压差

随着输出电压逐渐线性地到达其最终值

输入引脚间的电压逐渐减小

最终运放输入

重新满足虚短路的特性

放大器的数据手册

会提供一个用于描述压摆率和温度关系的曲线图

一般会同时给出正压摆率和负压摆率时的曲线

正压摆率在信号上升时出现

负压摆率在信号下降时出现

一般而言

压摆率的绝对值会随温度的上升而增大

有些运放包括了一个压摆增强电路

从而使器件具有更大的压摆率

这里显示了一个具有压摆增强功能的运放

在大阶跃信号输入时的响应曲线

可以看到这里出现了两段不同的压摆率

初始压摆率很大

而第二阶段的压摆率较小

输出信号逐渐稳定到终值

您或许会好奇

为什么运放不能只有一段很大的压摆率呢

原因在于如果运放只有一段很大的压摆率

输出将在到达终值后出现很大的过冲

或许可以通过某种手段来补偿这种过冲

然而这种补偿

可能会导致反方向变化的信号出现很大过冲

如果这种现象持续下去

将会导致震荡的发生

这一页幻灯片描述了

具有压摆增强功能的运放和普通运放相比的特点

左边是普通运放的响应情况

其中绿色区域显示了小信号输入

或者是差分输入端的输入信号

小于正负 100 毫伏时的情况

可见流入密勒电容的电流 ICc

和输入电压 Vin 成线性关系

蓝色区域显示了大信号输入

或者差分输入端的输入信号

大于正负 100 毫伏时的情况

这时运放达到了其压摆率极限

从而流经米勒电容的电流保持不变

对具有压摆增强功能的运放而言

如右图绿色区域所示

小信号响应与普通运放类似

但当输入差分电压达到

并超过某一特定值以后

如右图的蓝色曲线所示

运放达到了压摆率上限

这时压摆增强功能发挥作用

如图中红色区域所示

因此当给运放输入一个大阶跃信号时

器件将在一开始判断输入电压的大小

如果很大 运放将进入压摆增强模式

使得有足够的电流流入米勒电容

从而提高输出压摆率

当差分输入电压降低时

运放将进入标准压摆模式

而输入电压很小时

运放最后将进行小信号响应

这时输出电压会稳定

运放的输入端也将重新实现虚短路

到目前为止

我们在研究压摆率时只考虑了方波输入的情况

然而对于任何形式的输入信号

压摆率都会限制放大后的结果

或者导致其失真

相关的指标叫做运放的全功率带宽

它描述了最大输出电压和频率的关系

这幅图显示了无压摆率失真时

而在不同频率正弦波输入下

最大输出电压

以 200kHz 处输出信号为例

7.5 伏峰值输出信号

在全功率带宽曲线左下方

从而不会受到压摆率的限制

而十伏峰峰值输出信号

则超出了全功率带宽曲线的范围

将会受到压摆率造成的失真影响

这是对 200kHz 7.5 伏峰值输入的

正弦波压摆率的仿真情况

这个仿真结果验证了对 200kHz 7.5 伏峰值

输出的正弦波压摆率不会使其失真

从结果可以看到

输出很精确地反映了输入信号

此外可以看到图中失调电压 Vos

看起来也是 200kHz 的正弦波

实际上这个失调

可以通过输出电压除以开环带宽 Aol 得到

这个仿真结果

验证了对 200kHz 10V 峰值输出的正弦波

压摆率将使其输出失真

从图中可以看到

与输入的正弦波相比

因为压摆率限制造成的失真影响

输出电压更像是某种三角波

输入失调电压也明显失真

而且不再等于输出电压除以开环带宽 Aol

这一页幻灯片

说明运放的最大输出电压

和信号频率之间可以经由计算进行推导

当无法得到运放的全功率带宽曲线时

您可以试着手工计算

最后的计算公式为 Vp=SR/(2πf)

左边红色框起来的

200kHz 处的计算过程

是对此公式的证明

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

看看你是否已经掌握了本次学习的内容