我需要多大的运算放大器带宽?(3)

作者:John Caldwell

在这个包含三篇文章的博客系列中,我介绍了如何为您的互阻抗放大器电路选择具有足够带宽的运算放大器。

阅读第 1 部分了解相关内容。在第 2 部分中,我不仅创建了一个设计实例(使用该过程选择可满足这些电路需求的运算放大器),而且还确定了所需的运算放大器带宽是 5.26MHz。

1:互阻抗放大器的实例性能要求

现在,我们将对比两个运算放大器:一个符合要求,另一个不符合。

2:设计实例中两个运算放大器的增益带宽积对比

相位裕度对比

相位裕度是一个稳定性指标,可在环路增益等于 0dB 的位置将放大器环路增益 (AOL * β) 相位与 180 度相比。0 度相位裕度表明负反馈已经变成正反馈,说明系统不稳定。相位裕度可使用第 2 部分(图 1)的电路进行测量,其可中断反馈环路。在 AOL * β 电压幅值等于 0dB 的频率位置可测量 AOL * β 电压的相位(Vout 探针)。

1:用于评估相位裕度的 TINA-TI仿真原理图

图 2 是在 Tina-TI 中使用 OPA316 得到的 ac 传输特征仿真结果。从游标位置我们可以看到在 232.455 kHz 下 AOL * β = 0dB 时,相位裕度为 66.66 度。

 

2:用于确定相位裕度的环路增益波特图

重复 OPA313 的这一分析可得到 31.65 度的相位裕度。从技术上讲,该部分在这一相位裕度下是稳定的,但它不会被视为稳定的设计。如果生产了大量这样的电路,有一些可能会因运算放大器技术参数的容差问题而不稳定。

阶跃响应对比

降低的相位裕度还会产生其它影响。例如,它可导致电路阶跃响应中的过冲和振铃问题。为说明这种影响,我使用瞬态仿真在电路输入端应用了 1uA 电流阶跃 (IG1),并测量了趋稳到 0.1% 理想值所需的时间。

3:将 1uA 电流阶跃应用到输入端,以仿真阶跃响应

OPA316 的阶跃响应不仅表现出最低的过冲,而且还在 13μs 内趋稳至 0.1%。相反,OPA313 则在响应过程中表现出显著的过冲和振铃,需要 75μs 才能趋稳到 0.1%。

4:用于 1uA 输入电流阶跃(绿)的 OPA316(蓝)和 OPA313(红)的阶跃响应

幅值响应对比

最后,降低的相位裕度会引起电路传输函数峰值。图 5 是两个运算放大器的幅值响应。OPA313 的传输函数出现了 5dB 的增益峰值,这可能是无法接受的。更糟的是,使用 OPA313 时的 -3dB 位置是 78.47kHz。

5:使用 OPA313(红)和 OPA316(蓝)构建的互阻抗放大器的频率响应对比

另一方面,OPA316 的传输函数不仅没有出现峰值,而且 -3dB 位置为 134.41kHz。

结论

对比计分板显示:OPA316 更符合我们的设计要求:

运算放大器

GBW

PM(度)

趋稳时间 (0.1%)

BW

OPA313

1 MHz

31.65°

75μs

78.47 kHz

OPA316

10 MHz

66.68°

13μs

139.41 kHz

但这并不奇怪!我们的这 3 个步骤得到了 5.26MHz 的最小增益带宽要求。如果低于该值,电路稳定性、趋稳时间与带宽都会受到影响。希望本系列文章所介绍的这 3 个步骤将有助于您为您的互阻抗放大器快速选择合适的运算放大器,或者至少能帮忙将TI 1375 种选项缩小到一定的范围!

原文请参见:  http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archive/2014/05/08/part-iii-what-op-amp-bandwidth-do-i-need-transimpedance-amplifiers.aspx

  • 以前在教科书上所学,相位裕量在45度到60度为最好,因为此时的稳定性越高。博主在这篇文章中从如何选择运放的带宽中阐述了这一道理,让人受益匪浅,TINA作为TI推出的一款仿真软件,方便用户对于其所设计的电路进行幅频、相频分析以及电流、电压阶跃分析,方便用户验证所设计系统的稳定性,博主用这篇文章向我们展示用TINA仿真软件选择合适带宽的运放。