增益帶寬積是運算放大器的重要參數之一,指的是運放的增益和帶寬的乘積,這個乘積是個常數,且等于運放的開環增益穿越0dB的時候的頻率。
以運放opa2333為例,在datasheet中可以查到GBW這個參數,是350kHz。在開環增益頻率曲線中可以看到,當增益穿越0dB時對應的頻率也是350kHz.
G是閉環增益(計算GBW時按放大倍數算),BW是運放的帶寬限制。也有的材料說Gain是開環增益,其實單獨對于增益帶寬積而言,帶寬頻點的開環增益和閉環增益非常接近,可以近似認為是一樣的,下文就介紹具體原因。
我們以同相放大電路為例進行具體分析,下圖是同相比例放大電路的示意圖,它的閉環放大倍數A:
F是反饋系數,
如果閉環放大倍數是100,手冊中GBW是350kHz,那么理論上帶寬BW=350/100=3.5kHz。
下圖畫出了開環增益頻率曲線Go和閉環增益頻率曲線Gc,Go和Gc的交點處,二者大小相等,閉環增益Gc相比于低頻時20log(1/F)下降了3dB,此時的頻率Fc就是3dB帶寬。當頻率低于Fc時,開環增益Go和閉環增益Gc不同,當頻率超過Fc時二者大小一樣 ;隨著頻率繼續增大,Go、Gc曲線穿越0dB時的頻率即為增益帶寬積。
我們重新設置放大電路的電阻,得到一個新的增益Gc’,見上圖,我們再取一個閉環增益Gc’,Gc’降低3dB與Go相交時的頻率為Fc’,如果把縱坐增益換成放大倍數A,那么A(Gc)與Fc的乘積約等于A(Gc’)與Fc’的乘積,這個乘積就是常數GBW。
咱們仿真來具體分析下,下圖是仿真電路,調節R1來改變放大倍數,我們修改R1的阻值,分別取9k、99k、999k、9999k、99999k,對應放大倍數分別是10(20dB)、100(40dB)、1000(60dB)、10000(80dB)、100000(≈90dB)倍。
畫出AC交流分析結果,閉環增益曲線見下左圖, 粗線是100000倍放大,此時曲線與datasheet中Gain曲線基本一致, 這兩個增益此時相等,當閉環增益很大時,閉環增益曲線就接近開環增益曲線。我們實際設計電路時,不能把閉環增益設置的太大,
繼續介紹上圖,opa2333的GBW是350KHz。對于10(20dB)倍的閉環增益,隨著頻率的升高,增益會降低,-3dB的頻點Fc是47.9Khz,此時放大倍數G衰減到7.1倍,FcG = 47.97.1=354Khz≈GBW 350khz。
再看下100倍閉環放大,下圖紅色是5.8Khz輸入信號,綠色是放大后的輸出信號,可以看到信號并沒有放大到100倍,通過萬用表測量有效值計算,輸入信號有效值是0.1mV,輸出信號有效值是0.7048mV,實際放大倍數:0.7048/0.1=70.48倍。根據GBW 350Khz計算5.8Khz的理論放大倍數:GBW/5.8K = 350/5.8=60.3倍,與實測的70.48還是有差距的。
如果既要滿足帶寬又要滿足放大倍數,此時就要考慮更高增益帶寬積的運放了.
以上就是增益帶寬積的介紹,如果想要更精確的放大,還給增益帶寬積保留足夠的余量,要保證手冊的參數大于時間應用的需求,此外,還要考慮壓擺率等參數。
審核編輯:劉清
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