运算放大器的回转率和上升时间的解答

为了避免运算放大器输出信号的失真和缓慢转换，了解转换速率很重要。在这篇文章中，我们考察了它的原因和影响。

我们经常从一个理想化的模型开始运算放大器的设计。尽管这有助于分析，但也意味着我们的模型缺乏关于运算放大器性能限制的各种潜在重要细节。我们之前在一个由两部分组成的系列文章中介绍了其中一个限制，即信号摆动。

在这篇文章中，我们将讨论一个不同的非理想性：转换速率，它被定义为运算放大器的输出电路可以产生的最大电压变化率。如图1所示，如果理论输出波形的斜率超过转换速率，实际输出波形将偏离输入波形的形状。

运算放大器的回转率和上升时间（trise）。

图1。运算放大器输出的转换速率限制，上升时间用三进制表示。图片由Robert Keim提供

回转率通常以伏特/微秒（V/μs）为单位进行报告。如果我们将转换速率乘以一段时间，结果告诉我们在这段时间内输出电压将增加多少。然而，更常见的是，我们使用运算放大器指定的转换速率来估计上升时间，或者相反方向的下降时间。

我们可以将上升时间（上图中的trise）定义为信号从其新值的10%增加到90%所需的时间。下降信号的转换速率是相似的，唯一的区别是我们现在测量的是从90%下降到10%的变化。请注意，本文的其余部分将仅讨论上升输出信号的转换速率限制。

为了估计上升时间，我们将预期产量变化的80%除以转换率。这种测量上升时间的方法减少了上升沿开始或结束时发生的渐变的影响。我们可以通过看一个例子来更好地理解这一点。

上升时间：一个例子

假设我们需要一个运算放大器来放大输入的传感器信号，当某个物理事件发生时，该信号将从0V快速转换到500 mV。我们将假设如下：

我们将运算放大器配置为增益为10的非反相放大器，因此预期输出是从0V到5V的快速转换。

我们使用的是经典的741运算放大器，其转换速率约为0.5 V/μs。

在这种情况下，10%到90%的条件对应于从0.5 V增加到4.5 V，从而使电压增加4 V。上升时间计算如下：

接下来，我们将使用图2中的LTspice示意图，通过模拟来确认上升时间。

LTspice电路，用于测试741运算放大器的转换速率。

图2:一种用于测试741运算放大器转换速率的LTspice电路。图片由Robert Keim提供

图3显示了模拟结果。正如你所看到的，运算放大器的输出信号不会像输入信号那样急剧上升。

LTspice中的阶跃函数输入和转换速率限制输出。

图3。模拟阶跃函数输入和转换速率受限输出。图片由Robert Keim提供

我们可以通过放大并使用光标功能来测量上升时间和转换速率（图4）。

模拟输出的斜率测量。

图4。LTspice的光标功能允许我们测量输出斜坡的斜率。图片由Robert Keim提供

从VOUT＝0.5V到VOUT＝4.5V的输出信号看起来是相当线性的。上升时间为~8.5μs，接近我们的理论值。据报道，波形这一部分的斜率为470851 V/s，约为0.47 V/μs。这表明模拟中使用的SPICE模型成功地再现了大约0.5V/μs的预期741转换速率。

回转率对正弦信号的影响

我们现在已经看到运算放大器的转换速率如何增加输出波形的上升时间，导致快速输入阶跃转变为线性斜坡输出转变。然而，回转率限制不仅影响阶跃函数。它们影响任何需要比运算放大器所能支持的变化更快的输出信号，例如高频正弦信号。

对于正弦信号，我们主要考虑由非线性引起的失真。如果实际输出信号不能像预期输出信号的较高斜率部分那样快速上升，则运算放大器将不能保持输入和输出之间的线性关系。

图5显示了转换速率引起的失真的一个极端例子。输出的上升沿和下降沿受到转换速率的限制。因此，信号现在是三角波而不是正弦曲线。

模拟的741运算放大器在正弦信号的较高斜率部分期间经历转换速率限制。

图5。模拟的741运算放大器在正弦曲线的较高斜率部分期间经历转换速率限制。图片由Robert Keim提供

是什么原因导致回转率限制？

电路中的延迟和带宽限制从根本上是由电容引起的。电流在电路中流动，并在通过阻抗时产生电压。然而，电压不会立即出现——电流必须首先对寄生电容和有意电容进行充电或放电。更大的电容需要更多的充电电流，并导致更长的延迟。

运算放大器具有必须充电和放电的内部电容，这些电容限制了输出电压的变化速率。在许多情况下，这些内部电容包括相对大的补偿电容器。

例如，图6显示了德州仪器LM124运算放大器的内部示意图。其补偿电容器（CC）降低了放大器第二级中电压变化的速率。

德州仪器LM124运算放大器的内部示意图。

图6。LM124运算放大器的内部示意图。其补偿电容器被标记为CC。图片由德州仪器提供

内部补偿电容器使运算放大器更加稳定，但降低了转换速率。代替补偿电容器，非补偿运算放大器受到较小寄生电容的限制。因此，它们提供了更高的转换速率。

基于回转率的运算放大器的选择

现代运算放大器已经远远超过了741的转换速率能力，设计师现在有很多运算放大器可供选择。例如，LT1817的转换速率为1500 V/µs。如果这还不够，您可以考虑使用电流反馈放大器（CFA），如AD8009，其最高可达5500 V/µs。

CFA架构与大多数运算放大器中使用的VFA（电压反馈放大器）架构有根本不同。如果您的应用程序需要高转换速率以避免过多的上升时间，CFA可能是更好的选择。对于那些想进一步探讨这个话题的人来说，Sergio Franco博士关于CFA的系列文章是一个很好的资源。如果你想了解更多关于运算放大器转换速率的电气和数学细节，我还推荐他的文章《如何增加运算放大器的转换速率》。