Điện và điện tử

Máy tính băng thông và tốc độ biến thiên op-amp

Ước tính băng thông, tốc độ biến thiên cần cho sóng sin và giới hạn biên độ hoặc tần số.

01

Dữ liệu nhập

Với sóng sin: Vpp = 2 × Vpk; Vrms = Vpk / √2. Nhập biên độ đầu ra mong muốn.

Xấp xỉ một cực với hồi tiếp điện áp; BW là điểm −3 dB. Giới hạn tốc độ là ngưỡng bắt đầu lý thuyết. Kiểm tra độ ổn định, dải đầu ra và tải trong bảng dữ liệu.

02

Kết quả

Băng thông tín hiệu nhỏ ước tính
—
Độ lợi nhiễu
—
Tốc độ biến thiên cần thiết
—
Tần số sin giới hạn bởi tốc độ
—
Biên độ tối đa giới hạn bởi tốc độ
—
Mức giảm độ lợi ước tính
—

Đường cong đáp ứng

Đường cong hiển thị mô hình băng thông. Đường đứt fSR đánh dấu giới hạn tốc độ cho biên độ đã nhập; không phải mô phỏng méo.

Công thứcBW ≈ GBW / NG

Kiểm tra băng thông bộ khuếch đại thuật toán và yêu cầu tốc độ biến thiên của sóng sin

So sánh băng thông tín hiệu nhỏ theo mô hình của bộ khuếch đại với tốc độ biến thiên điện áp cần thiết cho sóng sin đầu ra mong muốn. Ước tính băng thông dùng xấp xỉ hồi tiếp điện áp một cực và độ lợi nhiễu của mạch. Phép tính tốc độ biến thiên dùng biên độ đầu ra và tần số độc lập với nhau. Công cụ không mô phỏng méo, xác minh độ ổn định hay kiểm tra dải đầu vào, khoảng dao động đầu ra, điện áp nguồn hoặc tải cho một linh kiện cụ thể.

Từng bước thực hiện

  1. Chọn hoạt động đảo hoặc không đảo và nhập độ lớn của độ lợi tín hiệu. Nhập độ lớn dương cho độ lợi đảo; độ lợi không đảo phải ít nhất là 1. Nhập tích độ lợi–băng thông theo MHz và tốc độ biến thiên điện áp theo V/µs từ các điều kiện linh kiện tương ứng.
  2. Nhập tần số theo kHz và biên độ đầu ra mong muốn. Chọn Vpk, Vpp hoặc Vrms để mô tả biên độ đó. Biên độ thuộc tín hiệu đầu ra, nên chỉ nhập biên độ đầu vào khi mạch có độ lợi tín hiệu bằng một.
  3. Đọc cùng lúc băng thông, tốc độ biến thiên cần thiết, tần số bị giới hạn bởi tốc độ biến thiên và mức giảm độ lợi. Trạng thái cho biết ngưỡng nào của mô hình bị vượt quá. Dùng đường cong để so sánh tần số với băng thông, rồi kiểm tra riêng các yêu cầu về độ ổn định, khoảng dao động và tải của linh kiện thực tế.

Cài đặt và giới hạn

Độ lợi tín hiệu và độ lợi nhiễu
Với mạch không đảo, độ lợi nhiễu bằng độ lợi tín hiệu. Với mạch đảo, độ lợi nhiễu là 1 + độ lớn của độ lợi tín hiệu. Băng thông ước tính là GBW chia cho độ lợi nhiễu, nên cùng độ lớn độ lợi tín hiệu không tạo ra băng thông giống nhau trong hai cấu hình này.
Quy ước biên độ
Với sóng sin, Vpp = 2 × Vpk và Vrms = Vpk / √2. Tốc độ biến thiên điện áp cần thiết là 2πf × Vpk. Đổi quy ước sẽ đổi cách hiểu con số đã nhập; hãy đổi cả con số nếu muốn mô tả cùng một dạng sóng vật lý.
Giới hạn và đáp ứng của mô hình
Băng thông là điểm xấp xỉ −3 dB, không phải bảo đảm độ lợi phẳng bên dưới điểm đó. Đường cong đáp ứng cho thấy mức giảm độ lợi liên quan đến băng thông. Dấu tốc độ biến thiên dạng nét đứt mô tả ngưỡng lý thuyết của biên độ đã nhập; nó không thêm méo do tốc độ biến thiên vào đường cong hoặc chứng nhận hoạt động không méo.

Ví dụ thực hành

Chọn độ lợi không đảo 10, GBW = 1 MHz, tốc độ biến thiên điện áp 0.5 V/µs và biên độ đầu ra 1 Vpk. Tại 10 kHz, băng thông là 100 kHz, tốc độ biến thiên cần thiết là 0.0628319 V/µs và mức giảm độ lợi theo mô hình là −0.0432137 dB.

Kết quả dự kiến
fSRreqΔGVpk,max
10 kHz0.0628319 V/µs−0.0432137 dB7.95775 Vpk
100 kHz0.628319 V/µs−3.0103 dB0.795775 Vpk

Tăng tần số lên 100 kHz mà không đổi biên độ. Tốc độ biến thiên cần thiết trở thành 0.628319 V/µs, vượt quá tốc độ đã nhập, còn mô hình băng thông cho −3.0103 dB. Tần số bị giới hạn bởi tốc độ biến thiên cho biên độ này khoảng 79.5775 kHz. Đây là các ràng buộc riêng biệt; giảm biên độ đầu ra cải thiện giới hạn tốc độ biến thiên mà không đổi băng thông.

Câu hỏi và khắc phục sự cố

Tại sao độ lợi đảo 10 cho băng thông thấp hơn?

Độ lợi nhiễu của nó là 11, nên cùng GBW 1 MHz cho băng thông xấp xỉ 90.9091 kHz. Dấu âm của độ lợi tín hiệu biểu thị sự đảo; nó không làm độ lợi nhiễu âm. Hãy nhập độ lớn của độ lợi vào ô.

Kết quả biên độ tối đa có kiểm tra xén do giới hạn nguồn không?

Nó chỉ kiểm tra tốc độ biến thiên đã nhập tại tần số đã nhập, biểu diễn theo quy ước biên độ bạn chọn. Khoảng dao động đầu ra, dòng tải và giới hạn đồng pha đầu vào nằm ngoài mô hình này. Biên độ đáp ứng yêu cầu tốc độ biến thiên vẫn có thể không đạt được trên bộ khuếch đại thực tế.

Tại sao trạng thái có thể báo trong giới hạn dù độ lợi đã giảm?

Trạng thái chỉ đổi sau khi tần số vượt băng thông hoặc tốc độ biến thiên cần thiết vượt tốc độ đã nhập. Độ lợi giảm liên tục trước điểm đó. Ngay tại băng thông theo mô hình, mức giảm đã khoảng −3 dB; hãy đánh giá độ phẳng chấp nhận được và biên dự phòng hoạt động theo yêu cầu ứng dụng.