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OPA4991: 构成跟随器时,波形出现一些失真。

Part Number: OPA4991
Other Parts Discussed in Thread: TLV9001, OPA991

使用OPA4991构成跟随器,正负15负供电。输入信号为100K,幅值为5V的正弦波。发现波形出现失真。后续测试过程中发现,把幅值降低为1V时,失真消失了。将频率降低为30KHz时,失真也消失了。不清楚是什么原因。

  • 您好,您说的失真是附图中的红色过冲或尖峰吗?

  • 并不是,红色是FFT之后的频谱图像。

  • 第一张图示波器紫色的波形,是跟随器后的图像。存在较为明显的失真

  • 可以看到,第一张图输入的是100k幅值为5V的正弦波存在失真。第二张图继而进行FFT处理后观察其频域图像,发现存在大量谐波分量。第三张图将频率降低为30KHz时,谐波分量明显减少了。第四张图恢复为100K的频率,将信号幅值降低为1V,可以发现谐波也明显减少了。

  • 好的。从失真来看,虽然压摆率21V/us,带宽4.5Mhz,其实失真的原因还是是OPA4991的带宽不够。也就是说OPA4991的速度不够快,无法在输出端输出平滑的100Khz的正弦波。

    这是因为,OPA4991的带宽位4.5Mhz,那么100KHz的信号,要使得运放维持在线性范围内工作,有4.5MHz / 100kHz =45V/V增益范围,所以要使得输出干净的100Khz的正弦波,最好是选择带宽大于4.5Mhz的运放,因此当降低频率或降低幅值时,都能得到干净的输出。

    综上,我们在选择运放时,除了看带宽还要看压摆率。一定频率下的信号,运放的带宽尽量高,保证运放有足够的裕量使其工作在线性范围内。

    下面这篇blog是多年前一位资深FAE对GBW参数的介绍,可以参考下:

    https://e2echina.ti.com/support/amplifiers/f/amplifiers-forum/20671/-part16-gbw

  • 根据数据手册,GBW为4.5Mhz。我的增益G=1,带宽应该远远可以满足100k的输入信号。对于压摆率,我S=2*pi*A*f=2*3.14*2.5*100000=1.57V/us,也远小于数据手册中所说的21V/us。理论上不会出现这种情况,包括我使用Tina进行仿真时,是可以实现功能的。

  • 对于压摆率,我S=2*pi*A*f=2*3.14*2.5*100000=1.57V/us,

    没错,这样计算下来看起来SR是足够的。

    不知您的单位跟随电路是反相输入还是同相输入,如果是反相输入的话Gain=-1,那么噪声增益Noise gain=2。

    噪声增益NG=1+Rf/Rg。那么对于运放来说,信号带宽同时也要满足噪声增益的要求,OPA4991的GBP是4.5MHz,对于小信号来说带宽就是4.5/2=2.25Mhz。(参考上述链接中给的关于增益带宽积的描述,通常给出的增益带宽积都是针对小信号的)

    所以对于100Khz信号来说,大约能放大20V/V的倍数。理论上来说,在推荐运放时增益带宽积至少也是大于10倍带宽,所以看起来这里100Khz也是应该没问题的,其实小信号增益在这里并不是此应用的限制因素。 问题是压摆率,在许多应用中观察到的压摆率在理想情况下将远低于器件压摆率。datasheet中给出压摆率也确实是针对大信号,gain=1时产生的值。

    参考这篇FAQ关于为什么SR和datasheet中SR不符合的FAQ:

    在这篇FAQ中,详细介绍了CMOS类型和双极型运放深度SR的分析,以及如何判断哪些运放是通过SR升压,其中提到lOPAx991这颗器件(Slew Boost Example #2)。您可以详细看下这篇文章,OPAx991的Vid在大约60mV 时,SR升压开始出现较低的初始压摆率。 使用进一步的 VID,VID = 800mV 时,压摆率增加到32V/us。

    https://e2e.ti.com/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum/1055566/faq-why-does-the-slew-rate-in-my-application-not-match-the-op-amp-s-data-sheet

    通过这篇FAQ,我们可得出结论:在选择运放选择一个压摆率和带宽尽可能大以降低信号失真的运算放大器。

    datasheet给出的的压摆率参数是典型的输出快速变化率,以 V/us 为单位。 小输入和高增益应用中的压摆率将会降低。 需要输入差分电压 VID 来实现输出压摆率。 更快的 SR 需要更多的 VID。 VID 越大,越不容易实现虚拟地的概念,因此造成的失真也可能越大。

  • 我所使用的是gain=1的跟随器,电路图如下。输入的信号已经是5Vpp了,应该是不存在你所说的小信号问题吧。并且我仿真是正常使用的。实际差距却十分巨大,大约在35k便出现失真。我使用另一款参数不如此款运放,但堪堪满足设计需求的运放,也可以实现100K的跟随,并且无失真。

  • 您可能没有详细看这篇FAQ,介绍了哪些运放是含有压摆率升压特性的,比如TLV9001,比如OPA991的这几个系列。

    像这类通过SR升压的运放,主要是和Vid有关。 您说的没错,输入信号是5Vpp不属于小信号,但是当Vid较小的时候,OPA991的SR是很小的。当VID大于800mV的时候,SR才上升很快。

    所以VID很小的时候,SR是不够的,也就是底部出现的失真。

  • 您提到的另一款参数不如OPA991,我们可以根据这篇FAQ去判断这款运放是不是没有通过SR升压,本身运放的速度在VID较小的时候SR就够。

    另外,稍后我用TINA也再仿真下。