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如何为互阻抗放大器电路选择具有足够带宽的运算放大器(2)

John Caldwell?? TI?? 2014年08月20日 ?? 收藏6
在上一篇中,我介绍了互阻抗放大器所需运算放大器带宽的三步计算过程中的前两步。在本文中,我不仅将介绍最后一个步骤,而且还将介绍使用本计算过程的设计实例。

步骤 3:计算所需运算放大器增益带宽积

进行基本稳定性分析,我们将获得本步骤背后的逻辑,如果您只想进行计算,可以直接跳到公式 5。图 1 是用于分析的 TINA-TI 电路。反馈环路使用大电感器 (L1) 中断,而电压源则可通过大电容器 (C1) AC 耦合至该环路。该环路在运算放大器输出端中断,以便输入电容的效果包含在分析中。我们可执行 AC 传输特性,并使用后处理器生成开环增益 (AOL) 和噪声增益 (1/β) 曲线(图 2)。

图 1:中断互阻抗放大器的反馈并生成 A<sub>OL</sub> 和 1/β 曲线
图 1:中断互阻抗放大器的反馈并生成 AOL 和 1/β 曲线

图 2:典型互阻抗放大器电路的 A<sub>OL</sub> 和 1/β 曲线图
图 2:典型互阻抗放大器电路的 AOL 和 1/β 曲线图

1/β 曲线上有 3 个关注点。首先,在以下频率位置有一个零点:

(1)

在该频率以上,1/β 曲线以每十倍频程 20dB 的速率增加。接下来,在公式 2 频率位置有一个极点:

(2)

这会导致 1/β 曲线“变平”。最后,1/β 曲线将在以下频率位置与 AOL 曲线相交:

在公式 5 中,fGBWL 是运算放大器的单位增益带宽。为保持稳定性,AOL 曲线必须在 1/β 曲线变平时与 1/β 曲线相交(假设是一个单位增益稳定的运算放大器)。如果 AOL 曲线在 1/β 曲线上升时与 1/β 曲线相交(如图 4 中虚线所示),电路可能会震荡。这可为我们带来以下规则:

(3)

将 fI 和 fp 的公式带入该规则,并求解单位增益带宽,我们可得到以下实用公式:

公式 5 消除了为互阻抗放大器设计选择运算放大器时的一道难题。选择具有足够带宽的运算放大器,不但可确保获得足够的信号带宽,而且还有助于避免潜在的稳定性问题!

设计实例

现在,我把这个过程运用在设计实例中,并对比采用两个运算放大器时的电路性能。一个运算放大器符合我们所计算的增益带宽要求,另一个不符合。该设计实例的要求如表 1 所示。

表 1:互阻抗放大器的实例性能要求

首先,我们计算可使电路稳定并达到带宽目标的最大反馈电容:

下一步,我们将确定放大器反相输入端电容。由于我们还没有为电路选择运算放大器,因此我们不知道 CD 和 CCM2 的值。记住,我在第 1 部分中建议将 10pF 作为该电容的合理电容估计值。

最后,我们可计算运算放大器的增益带宽要求:

在该实例中,我将对比表 2 中所列的两个运算放大器:

表 2:设计实例中两个运算放大器的增益带宽积对比

从前面的计算中我们知道,这两个运算放大器中的一个 (OPA313) 不具备电路所需的足够带宽。但实际上,这怎么会影响电路工作呢?

系列文章

如何为互阻抗放大器电路选择具有足够带宽的运算放大器(1)

如何为互阻抗放大器电路选择具有足够带宽的运算放大器(3)



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运算放大器? 带宽? 互阻抗放大器?

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