如何選擇精密運算放大器

Daniel Burton

為精密運算放大器的應用選擇合適的帶寬很像Goldilocks試圖在三只熊的粥碗之間做出選擇的經歷——一碗太熱，一碗太冷，一碗恰到好處。我們想要一個不太慢也不太快的放大器，但為我們的信號提供保持穩定性和準確性所需的所有增益和速度。

本應用中電壓反饋型運算放大器的關鍵運算放大器規格是增益帶寬積（GBP）和相位裕量（PM）。圖1顯示了常用精密運算放大器ADA4610的開環增益和相位與頻率的關系。該圖顯示，低頻時的運算放大器增益大于30，000 （90 dB），以每十倍頻程20 dB的速度滾降，并在大約0 MHz時達到單位（10 dB），稱為單位增益交越頻率。運算放大器開環增益圖使我們能夠確定其GBP，并設計具有給定閉環增益和帶寬的放大器電路，使GBP = 增益×帶寬，如圖2所示。例如，請注意閉環增益 （AV） 從 100（或 40 dB）降低到 10（或 20 dB）的十倍頻程如何導致帶寬從 163 kHz 增加到 1.63 MHz 的十倍頻程。

類似地，圖1中的運算放大器相位圖與信號通過運算放大器時的固有相移有關。相位裕量可以通過讀取放大器電路帶寬處的相移來近似。對于ADA4610，它約為67°，這是足夠的穩定性相位裕量。如果系統設計導致放大器電路的相位裕量減小到太小的程度，則可能會出現輸出端明顯振鈴甚至振蕩等癥狀。

除了穩定性之外，精度還受頻率的影響。在低頻時，開環運算放大器增益（A卷） 最高，有時稱為直流增益。隨著頻率的增加，增益減小，增益誤差變差。因此，在我們開始看到增益誤差對于精密傳感器信號來說可能太大之前，不需要太多頻率。

圖1.開環增益和相位與頻率的關系。

圖2.閉環增益與頻率的關系

閉環增益量可以使用以下公式計算。其中β是反饋因子，1/β是理想的閉環增益（例如，圖100綠線中的2 V/V），乘積Aβ稱為環路增益。

隨著環路增益隨頻率減小，我們看到增益誤差增加。誤差百分比可以通過以下公式計算：

從圖形上看，環路增益Aβ是圖1中的開環直流增益（也列在數據手冊規格中）與圖2中的閉環增益之差。例如，使用100 dB的整數作為運算放大器開環增益，使用40 dB的理想閉環增益，我們得到60 dB（或1000 V/V）的環路增益。表1顯示，增加環路增益可減少誤差（提高精度）。

表1：增加環路增益可降低誤差

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那么，如果更多的帶寬和環路增益更好，為什么不使用GBP遠高于信號增益和帶寬的運算放大器呢？不使用過多英鎊的原因有很多。運算放大器的寬帶噪聲在放大器的帶寬上積分。如果我們選擇的運算放大器帶寬大于必要的帶寬，則放大器電路將獲得過多的噪聲，從而降低系統的信噪比。高速運算放大器更容易受到系統寄生電容的影響，這會增加反饋信號的滯后，降低相位裕量，從而降低穩定性。最后，更快的運算放大器消耗更多的功率，因為運算放大器輸出級上的空閑電流必須更高，才能以更高的頻率驅動負載電容。

選擇最快的運算放大器會降低您的功率和信號質量。選擇太慢的運算放大器可能會使您的精度、穩定性和其他性能測量受到冷落。為您的應用找到在速度、增益、精度和相位裕量之間取得適當平衡的運算放大器將是恰到好處的。

審核編輯：郭婷