前面章节,给大家介绍过运放增益带宽积GBW和-3dB带宽的概念,可以用来初步换算运放电路在某一增益下,所能达到的-3dB带宽是多少。但在实际应用中,为了保证所需带宽内增益尽可能平坦,我们不可能将-3dB带宽设置为我们的截止频率。
这时,大家脑子里可能想起了老师或前辈的教导:你按照至少10倍的裕量去评估GBW,基本就万无一失了,即如下公式:
(资料图片仅供参考)
那如果我把带宽内增益尽可能平坦,改成带宽内增益起伏<0.1dB,上述公式还成立吗?
01 如何理解增益起伏<0.1dB
假定设计需求如下:闭环增益设置为10v/v(20dB),带宽100kHz,即fh=100kHz。所谓的带宽内增益起伏<0.1dB,是指:随着信号频率的上升,开环增益下降,闭环增益也下降,当频率达到fh=100kHz时,此时闭环增益下降最大,但仍小于0.1dB,即如下公式:
02 对系数k的求解
参考模电教材,我们得知闭环增益表达式如下(以下均为复数形式),其中Ao表示运放开环增益,F表示反馈系数:
带入参数k后,我们得到截止频率fh处的闭环增益表达式为:
因为Ao(fh)包含实部和虚部,理论上我们无法解出上述方程,但是观察运放开环增益和相移之间的关系(如下图所示),我们发现如下规律:
1)多数运放的第一极点都在1Hz以内,此处具有-45°相移,然后开始进入-20dB/10倍频程的增益下降阶段,当频率升到比第一极点高10倍左右时,相移基本接近-90°;
2)-90°的相移区间基本持续到接近GBW的频率点。
因此,根据上述规律,当我们运放工作在-90°区间范围内,我们可以定义Ao(fh)=-xj,即fh频率处开环增益为一个复数,模为未知数x,相角-90°。带入到上述闭环增益表达式中,我们列出复数模等式:
根据GBW的定义,最终得到如下公式,用于精细化评估运放带宽是否满足我们设计需求:
再次回顾们开始提出的设计需求:闭环增益设置为10v/v(20dB),带宽100kHz,带宽内增益起伏<0.1dB,根据上述公式计算所有运放的GBW>6.55MHz即可。
03 仿真实验
我们以OPA227为例,设计一个增益为20dB,带宽为100kHz的同相比例放大电路,带宽内增益起伏<0.1dB,按照传统的10倍系数去估算的话,OPA227的8MHz GWB是不够的,但是通过仿真来看,100kHz下的增益是满足0.1dB以内的波动需求的。
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