如何选择精密运算放大器

Daniel Burton

为精密运算放大器的应用选择合适的带宽很像Goldilocks试图在三只熊的粥碗之间做出选择的经历——一碗太热，一碗太冷，一碗恰到好处。我们想要一个不太慢也不太快的放大器，但为我们的信号提供保持稳定性和准确性所需的所有增益和速度。

本应用中电压反馈型运算放大器的关键运算放大器规格是增益带宽积（GBP）和相位裕量（PM）。图1显示了常用精密运算放大器ADA4610的开环增益和相位与频率的关系。该图显示，低频时的运算放大器增益大于30，000 （90 dB），以每十倍频程20 dB的速度滚降，并在大约0 MHz时达到单位（10 dB），称为单位增益交越频率。运算放大器开环增益图使我们能够确定其GBP，并设计具有给定闭环增益和带宽的放大器电路，使GBP = 增益×带宽，如图2所示。例如，请注意闭环增益 （AV） 从 100（或 40 dB）降低到 10（或 20 dB）的十倍频程如何导致带宽从 163 kHz 增加到 1.63 MHz 的十倍频程。

类似地，图1中的运算放大器相位图与信号通过运算放大器时的固有相移有关。相位裕量可以通过读取放大器电路带宽处的相移来近似。对于ADA4610，它约为67°，这是足够的稳定性相位裕量。如果系统设计导致放大器电路的相位裕量减小到太小的程度，则可能会出现输出端明显振铃甚至振荡等症状。

除了稳定性之外，精度还受频率的影响。在低频时，开环运算放大器增益（A卷） 最高，有时称为直流增益。随着频率的增加，增益减小，增益误差变差。因此，在我们开始看到增益误差对于精密传感器信号来说可能太大之前，不需要太多频率。

图1.开环增益和相位与频率的关系。

图2.闭环增益与频率的关系

闭环增益量可以使用以下公式计算。其中β是反馈因子，1/β是理想的闭环增益（例如，图100绿线中的2 V/V），乘积Aβ称为环路增益。

随着环路增益随频率减小，我们看到增益误差增加。误差百分比可以通过以下公式计算：

从图形上看，环路增益Aβ是图1中的开环直流增益（也列在数据手册规格中）与图2中的闭环增益之差。例如，使用100 dB的整数作为运算放大器开环增益，使用40 dB的理想闭环增益，我们得到60 dB（或1000 V/V）的环路增益。表1显示，增加环路增益可减少误差（提高精度）。

表1：增加环路增益可降低误差

 

开环直流增益 （dB）	闭环增益 （dB）	环路增益 （dB）	环路增益（伏特/伏特）	误差 （离理想值的百分比）
100	40	60	1000	0.1
100	20	80	10,000	0.01

 

那么，如果更多的带宽和环路增益更好，为什么不使用GBP远高于信号增益和带宽的运算放大器呢？不使用过多英镑的原因有很多。运算放大器的宽带噪声在放大器的带宽上积分。如果我们选择的运算放大器带宽大于必要的带宽，则放大器电路将获得过多的噪声，从而降低系统的信噪比。高速运算放大器更容易受到系统寄生电容的影响，这会增加反馈信号的滞后，降低相位裕量，从而降低稳定性。最后，更快的运算放大器消耗更多的功率，因为运算放大器输出级上的空闲电流必须更高，才能以更高的频率驱动负载电容。

选择最快的运算放大器会降低您的功率和信号质量。选择太慢的运算放大器可能会使您的精度、稳定性和其他性能测量受到冷落。为您的应用找到在速度、增益、精度和相位裕量之间取得适当平衡的运算放大器将是恰到好处的。

审核编辑：郭婷