原创 信号链基础知识（第 20 部分）：了解运算放大器及速度的基本原理

了解在许多应用中都至关重要的运算放大器动态规范及速度和转换速率参数的含义。

作者：Bill Klein，德州仪器 (TI) 高级应用工程师

（特别提示：“信号链基础知识”的第 20 部分是 Bill Klein 撰写的最后一篇文章；请参见本文末尾的注解。和从前一样，文章末尾、作者简介下方有本系列文章前面各部分的链接。）

运算放大器 (op amp) 的“速度”是指其频率响应和转换速率。此处给出的模型适用于电压反馈系列运算放大器。这两种参数具有一定程度的相关性。图 1 显示的是一个两级运算放大器简化模型，用于 AC 分析。

图 1 运算放大器的 AC 模型

输入为一个跨导级。就电压输入而言，其产生一个电流输出。输出级被理想地建模为一个补偿电容器作为积分要素的积分器。分析得到传输函数：

在运算放大器响应第一个极点以上各频率下，该函数的斜率与本系列文章第 13 部分中演示的斜率相同。每增加十倍频率，增益就降至原来的十分之一。通过将增益表达方程式设置等于 1 可以得到单位增益频率：

单位增益频率取决于输入级的跨导和补偿电容，这两个参数不单独出现。而通常人们所关注的是单位增益频率。

运算放大器速度的另一个指示器是小信号转换速率。这一参数与闭环增益和放大器开环增益曲线相交的频率转角相关联。图 2 显示了这一点。

图 2 作为闭环增益函数的转角频率

小信号转换速率由下列指数函数表示：

当达到某一电压电平时该函数的解为：

小信号转换速率为 Vout 从 10% 最终值转换至 90% 最终值的时间。利用 Vout/Vfinal 的比值，上升时间可降至：

回顾第 13 部分：

这样，转换速率为闭环增益的函数：

小信号转换速率由运算放大器的单位增益带宽和电路的闭环增益决定。随着闭环增益的增加，转换速率会下降。

大信号转换速率为运算放大器的一个非线性函数。这种情况下，“大信号”输入信号需足够大，以使输入级的一端能够被完全关闭，而另一端可以被完全开启。

图 3 大信号转换速率模型

差动输入级晶体管共用同一个电流源。如图 3 所示，正输入被关闭而负输入被完全开启后，所有输入级电流均被驱动至第二级积分器中。

一些运算放大器在输入端具有不允许输入器件被完全开启和关闭的保护电路。这种最大转换速率行为所需的差分电压可出现三或四伏特左右的差异，具体情况取决于输入器件和电路拓扑的特性。

作者 Bill Klein 的特别提示：

谢谢阅读本专栏。我在 TI 和 Burr Brown 公司（被 TI 收购以前）工作超过 16 年，不久便会退休。正如人们所说的那样，模拟工程师绝不会真正地“退休”，他们将继续投身教育工作！在我开始在亚利桑那州菲尼克斯市一所社区学院教授模拟理论和实践的时候，我会在职业生涯的下一个阶段更多地致力于模拟事业。

尽管这也许是我为 TI 撰写的最后一篇文章，但是我的同事们会继续及时地为您提供模拟信号链相关的信息，让我们静请期待他们的文章吧。请不要忘记，在这个越来越数字化的环境中，现实世界仍然是模拟的！

作者简介

William P. (Bill) Klein 现任 TI 高性能模拟产品部高级应用工程师。Bill 是在 2000 年 8 月 TI 收购 Burr-Brown 公司时加盟 TI 的。他拥有超过 40 年的模拟电路设计工作经验，涵盖了从找矿勘查到核医学影像的广泛领域。目前，Bill 的任务是举办模拟电子实验室网络直播 (e-LAB Web Cast) 工作，介绍在模拟电路设计中所遇问题的现实解决方案。他毕业于亚利桑那州立大学 (Arizona State University)，获电子工程理学士学位，并注册成为一名亚利桑那州专业工程师；此外，他还撰写了大量的杂志文章、应用手册以及会议论文。