一般在用运放时,规格书中有带宽BW的指标,也有压摆率SR的指标。两个参数看起来都是和时间有关的,但应用场景是不同的。
比如阶跃大信号输入的时候,输出响应是受到BW限制,还是SR的影响?如果阶跃输入信号的幅值是1V,输出响应一般是受到SR的影响;如果阶跃输入信号在10mv左右,是小信号,这个时候输出响应受到带宽BW的限制。但这种所谓的大信号和小信号输入,其幅值大小是相对的,因此定量讨论,区分大信号和小信号幅值是很有必要的。
对于一个同相放大器,给一个阶跃激励。设定幅值是Vin-max,此时在不知道幅值大小的情况下,就不知道输出响应是受BW还是SR的制约。
对于理想的运放,输出Vout=(1 R2/R1)*Vin,这个公式根据负反馈的虚短虚断很容易得到。但前提是理想运放,无论输入信号Vin的频率怎么变化,运放的开环增益Aol始终都是无穷大,但显然实际运放是没有这个能力的。当输入信号达到一定频率的时候,开环增益Aol开始滚降,一般在工程应用分析的时候,实际运放都会看作单极点模型,那么Aol就会以20dB/dec的速度滚降。
从LM358的规格书可以看出,无论是开环增益,还是闭环增益,都是受到信号频率的制约,不会按照理想运放闭环放大倍数的G=1 R2/R1进行信号放大。
上述的增益vs频率的曲线,并没有体现压摆率SR和带宽GB两者在输入信号幅值大小的区别。讨论输入阶跃信号的响应,就要从频域的角度出发,不能简单的将运放同相和反相端虚短看待,所以两端之间的电压Va(t)也就不会一直是0。通过查阅资料,知道输出响应和输入阶跃激励Vin-max之间的关系,对于线性电路,此时无论输入阶跃信号是什么幅值,输出响应都有统一的表达式:
随后将上述表达式利用拉氏变化,可以达到时域的表达式,就能找到输入幅值大小对输出响应的影响了。当时间t=0,输出电压=0;t>0,输出电压开始指数变化;当t趋于无穷大,也就是输出电压稳定的时候,此时输出电压就满足理想同相放大器的特性了,Vout=(1 R2/R1)*Vin-max。
通过数学公式,清晰明了的知道电路的变化过程。尽管t趋于无穷大是发生不了的事件,但知道输出电压不会马上跟随输入激励的变化而变化,是有一个指数变化的过程。
指数变化的时间常数τ=(1 R2/R1)/GB。
指数最大的变化率(斜率最大的时刻)也就是上图光标所在的位置,发生在t=0的时刻,通过对输出电压函数求导dVo(t)/dt=Vin-max*GB,输出电压的最大斜率就是输入激励幅值和带宽之积,所以输入阶跃的幅度Vin-max足够小;否则一个突然施加的Vin-max*G会在t=0时刻,从而过驱动,让运放从线性工作模式进入到非线性工作模式。一旦进入非线性工作模式,上文推导的频域函数和时域函数就不适用了。
当输入Vin-max增大,运放进入非线性工作模式,那么输出响应就不再是指数输出,就是快速的线性输出,此时的变化率就是压摆率SR。所以,运放在线性的工作模式,运放的带宽制约输出响应幅度。运放在非线性的工作模式,运放的压摆率制约输出响应幅度。
至此就得到了SR和GB之间的关系,当Vin-max*GB < SR时,运放的带宽制约输出响应幅度;反之,当Vin-max*GB > SR时,运放的压摆率制约输出响应幅度。前文提到运放的规格书都会给出GB和SR的参数,所以利用这两个参数,就能算出输入激励的Vin-max大小,从而合理的设计电路。
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