高速运算放大器：什么是带宽和摆率？

高速运算放大器（英文：High Speed Op Amps），简称为高速运放。高速运算放大器主要用于仪器仪表、电信、实验室和医疗系统中的高性能数据采集系统。

众所周知，运算放大器是构建模拟电路的基本模块，它们用于多种信号调节任务，例如电压放大、滤波和数学运算。当然，运算放大器的重要特征之一是速度，因此区分出了通用运算放大器和高速运算放大器。在理想情况下，运算放大器在所有频率下都具有无限输入阻抗的特性，但实际上它们的速度是有限的。

决定高速运算放大器的重要概念有两个：它们与运算放大器的速度有关，即带宽和压摆率。这两个概念很难理解，尤其是它们如何相互联系。在下文中，英锐恩单片机开发工程师将介绍跟“带宽和压摆率”相关的问题。

一、影响高速运算放大器速度的原因是什么？

那么，是什么原因导致运算放大器首先具有有限的速度呢？发生这种情况是因为现实生活中的运算放大器受到节点上有限阻抗的限制。节点处的阻抗取决于节点处的电阻和电容。随着频率的增加，电容的行为更像是“短路”，从而导致较低的阻抗并因此导致较低的增益。最终，导致信号开始“丢失”。正是这一点限制了如何快速的运算放大器可以工作。下图为运算放大器如何响应阶跃信号变化，其中，摆率和带宽都对信号的总建立时间产生影响。

现在，让我们更深入地研究并尝试从概念上了解摆率和带宽。

（1）带宽

我们在直流偏置下设计一个运算放大器。因此，我们基本上是在消耗静态功率，以使其“准备好”接受小信号或较小幅度的信号。当使用傅立叶变换分解时，这些频率可以为你提供从小到大的非常不同的频率总和。这是“小信号”的域，因此是带宽。带宽越高，运算放大器就能够放大更高频率的信号，因此具有更高的速度。从电气上来说，信号增益为1/sqrt[2]或理想值的0.707的频率是运算放大器的带宽。这是运算放大器可以按预期行为工作的最大频率。比如：增益带宽乘积为350kHz，即闭环增益为1时，带宽为350kHz。增益为2时，将为175kHz，依此类推。闭环增益越高，运算放大器的速度就越慢-增益和带宽的乘积恒定。

（2）摆率

现在，假设信号变得非常大。例如，它变为1V而不是1-2mV这么小。那么，运算放大器会发生混乱。我们知道，运放旨在处理小信号并在其带宽内运行，现在又处于大信号区域。这种情况下，运算放大器将饱和，其中之一将具有全部电流，另一个则为零。这也叫尾电流，然后用于将2V信号“传输”到下一级。这时候，若立即更改电压都是不可能的，因为它将需要无限的电流来为系统“固有”的电容充电。如果使用电容来进行补偿，它们可以高达10pF左右。而且我们也没有无限的电流，这将导致压摆率。那么，这种大信号变化的原因是什么？这是因为当系统中的电源打开时或来自上一级的输入进行电源循环或切换时。在这些情况下，我们需要进行大信号分析。

让我们更多地讨论压摆率的公式。当运算放大器处于大信号模式时，运算放大器的所有偏置都会完全饱和，这就是为什么我们需要返回库仑定律，该定律规定q = CV 或 I = CdV/dt，因此dV/dt = I/C，这是教科书中压摆率的公式。

以润石高速运算放大器为例，压摆率是160mV/us，即运算放大器需要1us才能将其输出增加160mV。

二、选择带宽还是选择转换速率？

如果继续运行，2V信号将处于“压摆限制”状态，直到差分对的一侧被耗尽为止，然后一旦电流开始在被耗尽的差分侧建立，它将进入“带宽”区域，所以，建立时间=回转时间+BW响应时间。

转换速率是运算放大器可以响应输入信号的较大变化的最大速率，带宽是它可以响应信号的微小变化的最大速率。两者共同确定步进响应的总建立时间。一些应用程序对带宽的要求更为严格，并且其压摆率要求不是太严格，可能在唯一的摆压率方便的真实位置是启动期间就是这种情况。但是，某些应用（例如电机驱动器）需要运算放大器完全打开或关闭，而此时的摆率要求更为严格。归结为将电气信息从一个阶段传输到另一个阶段。我们受到这样做所需要的电流量的限制，这会产生压摆率。在大信号区域中，为压摆率；在小信号区域中，为带宽。所以，对于高速运算放大器，我们可能需要选择高带宽和高压摆率。

以上就是英锐恩单片机开发工程师分享的有关高速运算放大器的带宽和摆率的知识。英锐恩专注单片机应用方案设计与开发，提供8位单片机、16位单片机、32位单片机、运放芯片和模拟开关。